싱글 라인 스캔 카메라를 통한 가시광선과 SWIR 동시 이미징

디지털카메라 및 이미지 센서 기술의 지속적인 개발과 빠른 데이터 전송 인터페이스 및 첨단 컴퓨터 이미지 처리 알고리즘 덕분에 자동 비전 검사 시스템은 계속해서 더욱 정교하고 효율적으로 성장하고 있습니다.

제조 회사는 이러한 기술 개선을 기반으로 생산 프로세스를 가속하여 제조 효율성과 생산 수율을 향상할 수 있었습니다. 또한 카메라 기술의 발전으로 인해 제조 라인 전체에서 더 뛰어난 품질 검사 루틴이 가능해져 완제품을 더 높은 품질로 생산할 수 있게 되었습니다.

머신 비전 시스템에서 가장 많이 활용되는 이미징 기술은 약 400nm~700nm의 전자기 범위에서 가시광선을 감지하는 컬러 및 흑백 CMOS 센서가 탑재된 산업용 카메라입니다. 그러나 최근 몇 년 동안 머신 비전 업계에서는 약 1050nm~2500nm 사이의 단파 적외선(SWIR)을 감지할 수 있는 InGaAs(인듐/갈륨/비소) 센서 기술이 탑재된 카메라와 같이 가시광선 스펙트럼 외의 광자를 감지할 수 있는 산업용 카메라에 대한 관심이 높아지고 있습니다.
SWIR은 재료와 상호 작용할 때 가시광선과는 다른 물리적 현상을 보입니다. SWIR은 재료의 분자와 상호 작용할 때 광자가 흡수되는 유기 및 비유기 재료로 더 깊이 투과할 수 있습니다. 흡수 수준은 재료의 화학 구조에 따라 달라집니다. 예를 들어 물 분자는 1,450-1,500nm 파장에서 높은 SWIR 흡수 수준을 가집니다.

따라서 SWIR 이미징은 과일 및 채소 검사와 같은 애플리케이션에 유용합니다. 조기 부패 및 멍이 있는 경우(일반적으로 수분 함량이 높은 부분) 카메라 이미지에서 높은 대비를 보이므로 SWIR 스펙트럼에서 더 명확하게 나타납니다. 이를 통해 이러한 결함이 있는 품목을 더욱 쉽게 식별하여 포장 전에 컨베이어 벨트에서 제거할 수 있습니다.

SWIR 이미징을 유용하게 활용할 수 있는 또 다른 애플리케이션은 이물질을 감지하는 것입니다. 예를 들어, 식품 가공의 경우 돌, 금속 및 플라스틱과 같은 항목을 감지하여 효율적으로 제거해야 합니다. 농산물 일괄 검사의 경우 가시광선의 컬러 이미지로는 이물질을 식별하기 어려울 수 있지만 SWIR 이미지에서는 이물질이 식품보다 어둡게 보이기 때문에 소프트웨어 알고리즘 및 컨베이어 벨트의 분리 메커니즘을 통해 이물질을 제거할 수 있습니다.

SWIR은 불투명한 플라스틱과 유리를 "투과"할 수 있어 포장 및 용기의 오염을 확인하고 내용물의 정확한 양이나 액체 또는 분말의 채움 레벨을 확인하는 데에도 사용할 수 있습니다.

새로운 R-G-B-SWIR 라인 스캔 카메라(SW-4010Q-MCL)를 사용하면 식품 용기 외부의 품질과 완성도를 검사하는 동시에 내부의 내용물을 확인할 수 있습니다.

반도체 품질 검사 스테이션의 경우, SWIR을 통해 실리콘을 "투시"하여 실리콘 웨이퍼의 표면과 표면 아래의 결함을 찾을 수 있습니다.

직물 및 목재 검사와 같은 애플리케이션의 경우, SWIR 이미징을 사용하여 염색된 직물이 다음 작업을 위해 충분히 건조되었는지 확인하거나 절단된 목재에 숨겨진 결함이 있는지 확인할 수 있습니다. 기타 애플리케이션으로는 플라스틱 폐기물 분류, 광물 분류, 배터리 검사, 농업/임업 애플리케이션 등이 있습니다.

SWIR 카메라는 검사 프로세스의 효율성을 높일 수 있지만, 많은 머신 비전 애플리케이션에는 크기와 모양을 확인하고 개체의 색상 뉘앙스를 분석하고 라벨 또는 기타 인쇄물의 색상을 확인하기 위해 일반 가시광선을 활용하는 카메라가 여전히 필요합니다. 따라서 SWIR 이미징은 가시광선을 활용하는 일반적인 검사 루틴을 보완하는 기술이라고 할 수 있습니다. 많은 애플리케이션의 경우 품질 검사 요건을 충족하기 위해서는 동일 제조 라인에서 가시광선 및 비가시광선 이미징 기술을 함께 활용할 수 있어야 합니다. 

기존에는 가시광선과 SWIR 또는 NIR을 활용하는 검사 스테이션에서 별도의 카메라, 조명, 렌즈 및 마운트를 사용하여 제조 라인을 따라 별도의 검사 단계를 진행해야 했기 때문에 셋업이 복잡하고 많은 비용이 들었습니다.

산업용 카메라 제조업체 JAI는 이 문제를 해결하기 위해 1대의 카메라로 가시광선과 SWIR 이미지를 동시에 촬영할 수 있는 새로운 멀티 센서 카메라 기술을 출시했습니다.

JAI Sweep+ 시리즈의 최신 제품은 4,096 픽셀 해상도를 지원하는 CMOS 라인 센서 3개와 라인당 1,024 픽셀 해상도를 지원하는 추가 InGaAs 센서가 통합된 컬러 라인 스캔 카메라입니다.

JAI의 새로운 멀티 센서 라인 스캔 카메라는 3개의 개별 CMOS 센서를 통해 적색, 녹색, 청색 가시광선을 동시에 캡처하고 InGaAs 기술을 기반으로 하는 4번째 센서를 통해 SWIR을 캡처합니다.

이 카메라는 첨단 카메라 내장 프리즘 기술과 이색(dichroic) 필터를 통해 입사광을 4개의 채널로 분할하여 3개의 CMOS 센서에서 적색, 녹색, 청색 가시광선을 동시에 캡처하고 InGaAs 센서를 통해 SWIR을 캡처합니다.

1개의 검사 스테이션으로 매우 미묘한 색상 차이를 확인하기 위한 이미지 데이터를 제공하는 동시에 SWIR 이미징 데이터를 통해 더욱 수월하게 숨겨진 결함이나 원치 않는 개체를 찾을 수 있습니다.

차트는 3개의 CMOS 센서(청색, 녹색, 적색)와 SWIR을 캡처하는 InGaAs 센서의 스펙트럼 응답을 보여줍니다. SWIR(노란색) 라인의 높이는 RGB 라인과 연관이 없습니다.

새로운 라인 스캔 카메라에는 RGB 출력을 HSI, CIE XYZ, sRGB, Adobe RGB와 같은 특정 색 공간으로 변환할 수 있는 내장 색 공간 변환과 같은 다양한 첨단 기능이 포함되어 있습니다. 이미지 밝기와 색상 밸런스를 개선하기 위해 R-G-B 및 SWIR 채널에 대한 노출 시간을 개별적으로 설정하여 파장대별로 광 축적 시간을 늘릴 수 있습니다. 또한 4개 채널에서 아날로그 및 디지털 이득을 각각 설정할 수 있습니다. 4096 픽셀 해상도로 설정된 경우 R-G-B 채널의 최대 라인 속도는 20kHz이며 SWIR 채널의 경우 1024 픽셀 해상도에서 39kHz입니다.  R-G-B 채널의 기본 픽셀 크기는 7.5 x 7.5 µm, SWIR 채널의 기본 픽셀 크기는 25 x 25 µm입니다.

이 카메라에는 R-G-B 및 SWIR 센서의 FOV(Field-of-View)와 라인 속도를 동기화하기 위한 Xscale이라는 특수 픽셀 크기 조정 기능이 탑재되어 있습니다. 관심 영역(ROI) 설정과 Xscale 기능을 사용하여 RGB 센서의 픽셀 크기를 조정하면, RGB 센서의 센서 폭이 30.72mm에서 SWIR 센서와 동일한 25.6mm로 변경됩니다. 동시에 R-G-B 스캔 속도는 20kHz에서 SWIR 스캔 속도와 동일한 39kHz로 증가하게 됩니다.