1. 표면 검사에서 Bright field와 Dark field의 사용

 

 

Bright field와 Dark field는 머신비전 전문가가 비전 검사에서 조명을 검토할 때 사용하는 용어입니다. 브라이트 필드와 다크 필드를 활용하여 조명 각도를 조절하면 표면 검사를 진행할 때 검사하고자 하는 영역을 균일하고 선명하게 부각시킬 수 있습니다. 선명한 이미지를 취득한다는 것은 비전 검사에서 수월한 알고리즘을 만드는데 도움이 됩니다. 이를 통해 반도체 검사, 포장 검사 및 표면 검사에 있어 더욱 정밀하고 세밀한 검사를 진행하게 됩니다. 또한 특정 조명 각도에 의한 편광 또는 확산은 표면의 불규칙성, 질감 및 결함을 강조할 수 있어서 긁힘, 찌그러짐 또는 기타 결함을 감지하는 등 표면을 정확하게 검사할 수 있습니다.

 

브라이트 필드와 다크 필드를 처음 접하시는 분들에게 이 용어들이 생소 할 수 있습니다. 따라서 브라이트 필드와 다크 필드 개념이 익숙하지 않은 분들을 위해 조금 더 쉽고 자세한 내용을 준비해 봤습니다.

 

2. 표면 검사에서 Bright field와 Dark field의 사용

 

브라이트 필드(Bright Field), 다크 필드(Dark Field)의 이해도

 

브라이트 필드(Bright field)와 다크 필드(Dark field)의 개념을 살펴보기 전에 많은 분들이 브라이트 필드가 화각이라고 오해하실 때가 간혹 있습니다. 그러나 브라이트 필드와 화각(FOV)은 광학 및 이미징* 분야에서 서로 다른 개념입니다. 브라이트 필드는 렌즈나 광학 장치에서 빛이 모이는 영역을 가리키는 용어로, 빛을 모으거나 집중시키는 영역을 나타냅니다. 반면 화각은 카메라나 눈이나 기타 광학 장치로 볼 수 있는 시야의 넓이를 가리킵니다. 즉, 화각이 넓을수록 한 장면에서 볼 수 있는 영역이 넓어지는 것을 의미합니다.

따라서, 브라이트 필드는 광을 모으는 영역에 관한 것이고, 화각은 시야의 넓이에 관한 것입니다.

 

*이미징은 주로 광학 장비, 카메라, 렌즈, 센서 등을 사용하여 물체나 장면을 캡처하고, 이를 영상이나 사진으로 만들어내는 기술적인 분야를 포함합니다.

 

| Bright field에서의 조명 사용

 

브라이트 필드(Bright Field) 조명 사용 예시

Macro Lens 사용 시 브라이트 필드(Bright Field) 조명 사용 예시

 

브라이트 필드는 아래 면이 거울이라고 가정했을 경우 빛이 그대로 반사되어 렌즈로 들어가는 영역입니다. 즉, 이 빛은 반사되어 렌즈를 통해 들어가기 때문에 샘플이 밝게 표현되는 밝은 이미지를 획득하게 됩니다. 브라이트 필드는 가장 일반적으로 사용되는 조명 기술 중 하나로 시료가 밝은 배경에 대조되어 관찰되는 것이 특징입니다.

 

CCTV를 사용한 브라이트 필드에서의 금속 표면 스크래치 샘플 데이터

위 이미지에서 보시는 것처럼 금속 표면의 움푹 파인 부분에는 빛이 렌즈로 들어가지 못하고 다른 곳으로 반사되기 때문에 파여진 부분은 이미지가 어둡게 나오게 되고, 평평한 부분은 렌즈로 빛이 올바르게 들어가게 됩니다. 따라서 브라이트 필드는 각인, 긁힘 등 움푹 들어간 부분 등 표면 결함을 감지하는데 용이합니다. 브라이트 필드를 조명에 적절하게 이용하려면 광원이 시료 또는 이미징 표면에 대해 90도에서 45도 각도 사이에 있어야 하며 일반적으로 광원을 피사체나 표면에 가깝게 위치시키는 것이 유리합니다.

 

| Dark field에서의 조명 사용

 

다크 필드(Dark Field) 조명 사용 예시

Macro Lens 사용 시 다크 필드(Dark Field) 조명 사용 예시

브라이트 필드가 빛이 렌즈의 화각 안으로 들어오는 영역이라면 다크 필드는 화각에 들어오지 않는 영역입니다. 다크 필드는 빛이 시료를 직접 비추지 않고 옆에서 오는 빛을 활용합니다. 반사광을 그대로 받아들이는 브라이트 필드에서의 조명과 달리 다크 필드 내에 위치한 조명은 산란된 빛만 렌즈가 캡처합니다. 다시 말해 시료는 조명되지 않은 상태에서 어두운 배경에서 밝게 나타나므로 이미지의 가장자리와 표면 결함이 더욱 두드러지게 나타납니다.

CCTV를 사용한 다크 필드에서의 금속 표면 스크래치 샘플 데이터

위의 이미지에서 보시는 것처럼 다크 필드는 어두운 배경을 만들기 위해 측면에서 조명을 사용합니다. 이렇게 되면 금속 표면의 배경이 어두워집니다. 반면 움푹 패어진 부분만 빛이 산란되어 렌즈로 들어가기 때문에 금속 표면의 스크래치 부분이 밝게 빛나 윤곽이 뚜렷하게 나타나게 됩니다.다크 필드는 일반적으로 10~15도 정도의 낮은 빛 각도로 조명을 설치하는 것이 이상적입니다. 이 낮은 각도는 가장자리, 결함, 능선 등 빛을 적절히 산란 시키면서 대상 표면이 카메라에 너무 많은 빛을 반사하지 않게 합니다.

 

| Bright field와 Dark field를 활용한 조명 검사의 응용 분야

 

좌) 브라이트 필드에 유리한 반도체 표면 검사 우) 다크 필드에 유리한 금속 표면 검사

 

브라이트 필드와 다크 필드를 활용하여 각각의 특징에 유리한 응용 검사를 실시할 수 있습니다. 브라이트 필드를 활용한 조명 검사는 반도체 다이의 표면 검사, 자동차 부품 검사(부품 크기, 모양, 위치 검사), PCB 회로 검사, 식품 품질 검사, 물류 바코드 판독 검사, 이차전지 케이스 찍힘 결함 검사, 현미경 세포 검사 등 다양한 산업에서 높은 명암 대비를 활용하여 사용되고 있습니다. 반면 다크 필드는 브라이트 필드에서의 조명으로는 검사할 수 없는 반사율이 높은 시료(거울 표면 검사, 바코드 검사, 광택이나 반사가 강한 금속표면, 투명 물체나 유리, 광택이 강한 플라스틱 부품이나 보호 필름이 부착된 제품) 표면을 효과적으로 검사하는데 사용됩니다. 브라이트 필드가 조명의 검사 대부분에 사용된다면 다크 필드는 좀 더 구체적이고 제한된 요구 사항을 가진다는 점을 참고해서 적절한 환경을 선택하면 됩니다.

 

 

3. 텔레센트릭 렌즈에 따른 브라이트와 다크 필드

 

렌즈의 화각(FOV)이 커지면 브라이트 필드의 영역도 점점 커집니다. 그렇기 때문에 매크로 렌즈나, CCTV 렌즈에서 화각이 커질수록 조명 역시 화각을 커버하기 위해 커다란 조명을 사용해야 합니다. 반면 텔레센트릭 렌즈(Telecentric Lens)는 빛이 평행하게 들어오도록 만들어졌기 때문에 아래 이미지에서 보시는 것처럼 CCTV, Macro Lens보다 화각이 좁습니다. 이 의미는 브라이트 필드 영역도 좁기 때문에 커다란 조명을 사용하지 않아도 되어 공간을 보다 효율적으로 사용할 수 있습니다.

매크로 렌즈와 텔레센트릭 렌즈 화각 차이

 

| 브라이트 필드(Bright Field)에서 조명 사용 예시

 

Telecentric Lens 사용 시 브라이트 필드(Bright Field)에서 조명 사용 예시

텔레센트릭 렌즈에서는 일반적으로 동축 조명(Coaxial Illumination)이 많이 사용됩니다. 동축 조명은 텔레센트릭 렌즈에서 브라이트 필드를 더 효과적으로 활용하여 특정 조건에서의 높은 정밀도측정이나 검사를 가능하게 합니다. 동축 조명은 빛의 방향이 렌즈의 방향과 동일한 경로를 가지도록 설계되었기 때문에 물체의 표면에서 반사된 빛은 렌즈로 집중되어 집니다.

 

텔레센트릭 렌즈를 사용한 브라이트 필드 금속 표면 스크래치 샘플 데이터

 

위 샘플 데이터에서도 텔레센트릭 렌즈에 동축 조명을 사용하면 브라이트 필드의 좁은 범위에서도 금속 표면에서의 결함 이미지를 더 정확하게 확인할 수 있습니다. 따라서 텔레센트릭 렌즈와 동축 조명은 정밀한 검사 및 측정 작업에서 높은 품질의 결과를 얻기 위해 함께 사용되어집니다. 텔레센트릭 렌즈는 일반적으로 동축 조명과 함께 많이 쓰이지만, 렌즈 아래에 링 조명을 설치하여 사용하기도 합니다. 낮은 배율만 아니라면 링 조명의 경우에도 효율적인 크기로 제작하여 사용할 수 있습니다.

 

 *동축조명: 동축 조명은 카메라와 동일한 방향으로 조명을 비추는 방식으로 하프미러를 사용하기 때문에 빛이 고르게 퍼져나가 높은 명암 대비를 제공합니다.

  

 

| 다크 필드(Dark Field)에서 조명 사용 예시

 

Telecentric Lens 사용 시 다크 필드(Dark Field)에서 조명 사용 예시

 

텔레센트릭 렌즈(Telecentric Lens)에서 다크 필드(Dark Field)는 브라이트 필드보다 넓은 영역을 차지합니다. 그로 인해 더 작은 조명으로 넓은 영역의 다크 필드에서 효율적으로 사용할 수 있습니다. 이는 더 넓은 영역과 원할한 조건에서의 다크 필드를 활용할 수 있어 일관된 물체 크기를 유지하는 텔레센트릭 렌즈의 명암 대비를 더욱 밝고 명확하게 부각시켜 시각적 분석에 높은 해상도와 정확성을 제공합니다.

 

텔레센트릭 렌즈를 사용한 다크 필드 금속 표면 스크래치 샘플 데이터

 

위 샘플 데이터 이미지에서 보시는 것과 같이 금속표면에서 반사되어 렌즈로 들어가지 못하는 영역은 대체로 어둡게 나타납니다. 반면 결함 부분에 빛이 집중되어 밝고 더욱 뚜렷하게 드러나기 때문에 일관되고 정확한 검사 및 측정이 가능합니다.

 

 

4. 현장의 어려움을 극복하는 조명 기술의 이해

 

브라이트 필드와 다크필드는 조명의 원리를 활용하여 뚜렷한 명암 대비를 가진 이미지를 취득하는데 도움이 됩니다. 이론적으로는 브라이트 필드에서의 조명이 최적일 수 있지만, 설정을 테스트한 후에는 반사로 인해 검사가 어려워지는 경우가 발생할 수 있습니다. 이런 경우 다크 필드 조명에 대한 기술을 이용하여 적용할 수 있습니다. 다양한 조건이 요구되는 검사 환경에서 머신비전 전문가의 전문 지식과 솔루션이 필요합니다. 화인스텍은 다양한 환경과 조건에 맞는 솔루션을 제공해온 머신 비전 전문가들과 함께합니다.

 

조명에 관한 상세한 종류와 사양을 알고 싶으시다면 화인스텍 홈페이지를 통해 확인 바랍니다.