같은 부품을 검사하는 라인이 두 곳 있다고 가정해 보겠습니다. 카메라도 렌즈도 같은데, 한 곳은 금속 각인 문자가 또렷하게 읽히고 다른 곳은 반짝임에 글자가 묻혀 버립니다. 차이는 조명 하나입니다.
머신비전 조명은 “좋은 제품”을 고르는 문제가 아니라 “이 대상에서 무엇을 보이게 할지”에 맞는 조합을 고르는 문제입니다. 그리고 그 조합은 세 가지 선택으로 정리됩니다. 조명 기하, 파장, 편광입니다.
이 글은 검사 대상별로 그 세 가지를 어떤 순서로 정하는지, 그리고 파장과 편광을 넣을 때 광량과 해상도에서 무엇을 내주는지를 계산으로 정리합니다.
💡 이 글은 광학 시리즈 7단계 비전 조명의 두 번째 글입니다. 앞 글 머신비전 조명 기법 – 명시야·암시야·동축·백라이트에서 기하를 다뤘고, 이 글은 그것을 실제 대상에 적용하며 파장과 편광까지 더합니다.
📋 조명을 고르는 순서
결정 순서를 정해 두면 시행착오가 줄어듭니다.
① 무엇을 보이게 할 것인가 결함 / 문자 / 윤곽 / 유무 / 색
② 표면이 어떤가 경면 / 반광택 / 무광 / 투명 / 곡면
③ 조명 기하 명시야·암시야·동축·백라이트·돔
④ 파장 백색 / 보색 / 적색 / 청색 / IR / UV
⑤ 편광 ①~④로도 반사가 남을 때만
💡 왜 이 순서인가: 기하가 대비의 기본 구조를 만들고, 파장과 편광은 그 위에서 다듬는 단계이기 때문입니다. 이 순서는 필자의 정리이며 표준 규격이 아닙니다.
🗺️ 검사 대상별 출발 조합
아래 표는 제조사 자료를 종합한 1순위 후보입니다. 정답표가 아니라, 샘플 촬영을 시작할 지점입니다.
각 행의 근거를 짧게 붙입니다.
- 각인·양각 문자: Keyence는 금속 각인에 정반사 조명(동축 수직 또는 직접 링)을 권합니다. 평면과 오목부의 밝기 차이가 커지기 때문입니다.
- 표면 흠집·이물: 같은 자료에서 저각 암시야를 권합니다. 표면을 스쳐 지나가는 빛이 작은 요철에서만 렌즈 쪽으로 반사됩니다.
- 광택 부품: Edmund Optics는 반짝이는 대상에 확산 전면·확산 동축·편광을, 입체 대상에 확산 전면·링을 권합니다. 곡면이 강하면 앞 글의 결론대로 돔이 안전한 출발점입니다.
- 투명 결함: Edmund Optics는 투명체 내부 결함에 암시야를 제시합니다.
- 윤곽·치수: 양쪽 자료 모두 백라이트입니다. 표면 요철의 영향을 받지 않습니다.
- 투명 필름 너머의 부품: Keyence는 확산 반사 조명으로 필름 표면의 헤일레이션(번짐)을 막습니다.
- 불투명 액체·인쇄된 포장: CCS 자료는 IR(850·940nm)이 산란이 적고 투과가 커서 이런 대상에 쓰인다고 설명합니다.
⚠️ 주의: 표의 “파장” 열 가운데 일부는 제조사 예시를 바탕으로 한 필자의 정리이며, 부품마다 결과가 달라질 수 있습니다. 실측 전에는 후보일 뿐입니다.
🎨 파장 – 같은 색은 밝게, 보색은 어둡게
파장을 고르는 원리는 한 줄입니다. CCS 자료의 표현으로 “비슷한 색은 대상을 밝게, 반대 색은 어둡게” 만듭니다. Keyence도 같은 원리를 설명합니다. 보색 조명을 비추면 대상이 거의 검게 보인다는 것입니다.
흰 종이에 적색 잉크로 인쇄한 대상을 예로 보겠습니다. 아래 그림은 개념 설명용 가정 스펙트럼으로 계산한 결과입니다.
대비 = (배경 − 잉크) ÷ (배경 + 잉크) 배경 반사율 0.85 (가정)
적색 잉크 + 파랑 470nm → 0.87 (배경/잉크 ≈ 14배)
적색 잉크 + 초록 525nm → 0.87
적색 잉크 + 빨강 630nm → 0.03 (배경/잉크 ≈ 1.1배)
적색 잉크 + 백색 LED → 0.67 (배경/잉크 ≈ 5배)
📌 계산 근거: Python으로 계산했습니다. 잉크·LED 스펙트럼은 실측이 아니라 가정 모델이므로 절대값이 아니라 경향만 참고해 주세요.
여기서 실무 결론이 둘 나옵니다.
- 잉크를 읽고 싶으면 보색을 씁니다. 적색 잉크에는 청색·녹색 조명이 맞습니다.
- 잉크를 지우고 바탕의 흠집만 보고 싶으면 같은 색을 씁니다. 적색 잉크 위의 흠집을 찾는다면 빨간 조명이 인쇄를 배경에 녹여 줍니다.
컬러 카메라 대신 흑백 카메라에 색 조명(또는 대역통과 필터) 을 쓰는 것도 방법입니다. Vision Systems Design의 필터 해설은 컬러 카메라의 바이어 배열이 보간 과정에서 가장자리 왜곡을 만들 수 있고, 흑백 카메라와 색 필터 조합이 해상도 면에서 유리하다고 설명합니다.
🔬 짧은 파장은 해상도에 유리하다 – 이론값으로 확인
렌즈의 회절 한계는 파장에 비례합니다. 센서 쪽 에어리 디스크 지름은 2.44 × 파장 × F수입니다.
F/8 기준 에어리 디스크 지름
470nm(청) : 2.44 × 0.470µm × 8 = 9.2µm
630nm(적) : 2.44 × 0.630µm × 8 = 12.3µm
850nm(IR) : 2.44 × 0.850µm × 8 = 16.6µm
470nm ÷ 850nm = 0.55
픽셀 피치 3.45µm 센서에서는 각각 약 2.7 / 3.6 / 4.8 픽셀 크기
이론상 청색이 회절 번짐이 가장 작습니다. 다만 다른 조건이 같다는 전제입니다. 실제로는 렌즈 수차, 센서의 파장별 감도, 대상의 색 대비가 함께 작용하므로 청색이 항상 이기는 것은 아닙니다.
🌡️ IR과 UV는 언제 쓰는가
- IR 850·940nm: Commonlands 해설에 따르면 카본계 잉크는 NIR에서도 어둡게 남고 염료계 잉크는 대부분 투명해집니다. 주변 가시광은 대역통과 필터로 걸러 낼 수 있습니다.
- IR의 함정: 실리콘 센서는 940nm에서 850nm 대비 감도가 절반 이하인 경우가 흔하다고 합니다(센서에 따라 다름). 일부 센서는 픽셀 단계에서 NIR 차단층을 가집니다. 가시광과 NIR을 한 렌즈로 함께 쓰면 초점 위치가 달라져 IR 보정 렌즈가 필요합니다. 쓰려는 센서의 분광감도 곡선을 먼저 확인하세요.
- UV 365·395nm: CCS 자료는 형광 인쇄·코드, 자분 탐상은 형광으로, 투명 필름·접착제·기포는 반사율 차이로 보는 용도를 제시합니다. UV 광원은 눈과 피부 보호 등 안전 기준을 사용 전에 확인해야 합니다.
🔆 편광 – 반사는 지우지만 빛도 함께 잃는다
크로스 편광은 조명 앞에 편광판, 렌즈 앞에 분석기를 90도로 엇갈려 두는 방식입니다. 정반사는 편광이 유지되어 분석기에서 막히고, 표면에서 흩어진 확산광은 편광이 풀려 통과합니다. 원리는 편광 완벽정리에서 다뤘습니다.
문제는 광량입니다. Edmund Optics도 편광판을 넣으면 전체 광량이 줄어든다고 짚습니다. 얼마나 줄어드는지 계산해 보겠습니다.
확산 대상, 이상적 편광판 2장
광원 100% → 조명 편광판 50% → 대상 확산 → 분석기 50% = 25% (1/4)
VA Imaging 측정 사례
반사면: 노출 1ms → 10ms (약 10배)
확산체: 6~10배의 광량이 필요
앞 글의 사례 (FOV 100mm/2048px, 500mm/s, 노출 98µs에 번짐 1px)
1/4 → 392µs → 번짐 4.0px
1/6 → 588µs → 번짐 6.0px
1/10 → 980µs → 번짐 10.0px
📌 계산 근거: 번짐(px) = 속도 × 노출 ÷ (FOV ÷ 픽셀 수). Python으로 계산했습니다. 광손실 6~10배는 특정 벤더의 측정 사례이며 이 사례에 그대로 적용되는 값이 아닙니다.
즉 움직이는 대상에 편광을 넣으려면 노출을 늘릴 수 없으므로 조명을 그만큼 더 밝혀야 합니다. 앞 글에서 다룬 스트로브 구동이 다시 등장하는 이유입니다.
편광에는 주의할 점이 몇 가지 더 있습니다.
- 투명 플라스틱의 응력 무늬: 크로스 편광에서는 PET 병 같은 투명 성형품의 내부 응력이 줄무늬로 드러납니다(Vision Doctor의 해설). 응력 검사에는 장점이지만, 표면 결함을 찾을 때는 노이즈가 됩니다.
- 편광 카메라: 픽셀 위에 0°·45°·90°·135° 편광 격자를 얹은 카메라도 있습니다. 한 번 촬영으로 네 방향 정보를 얻지만, 5메가픽셀 센서가 방향별로는 1.25메가픽셀 영상이 됩니다(Vision Systems Design).
- 각도: 비금속 표면의 반사광은 브루스터각 부근에서 거의 완전히 편광됩니다. 물은 53.1°, 굴절률 1.5 유리는 56.3°입니다(프레넬 반사 정리). 이 값은
atan(굴절률)로 직접 계산해 확인했습니다.
🧪 샘플 테스트를 요청할 때 준비할 것
표는 출발점이고 확정은 샘플 촬영입니다. 조명 제조사나 비전 업체에 테스트를 맡길 때는 아래를 같이 보내면 왕복이 줄어듭니다.
- 검출 목표: 무엇을 불량으로 볼지, 가장 작은 결함의 크기(mm)
- 샘플: 양품과 불량 유형별 샘플을 여러 개씩. 불량 샘플이 하나뿐이면 조건을 비교하기 어렵습니다
- 재질과 표면: 금속·플라스틱·유리, 광택 정도, 코팅과 인쇄 색
- 시야와 거리: 시야(FOV), 작업거리(WD), 설치 공간의 제약
- 속도: 라인 속도(정지 촬영인지 이동 촬영인지). 허용 노출은 앞 글의 식으로 계산됩니다
- 현재 장비: 카메라 센서·픽셀 피치, 렌즈 초점거리와 F수, 주변광 환경
촬영 결과에는 조명 종류·각도·거리·노출·파장을 함께 기록해 두세요. 나중에 같은 조건을 재현할 수 있어야 비교가 됩니다.
❓ 자주 하는 오해 3가지
1. “밝은 백색 링 하나면 대부분 된다”
백색은 컬러 카메라나 여러 색이 섞인 대상에 맞는 선택입니다. 광택 부품에서는 링의 반사가 그대로 찍혀 실패하기 쉽습니다.
2. “편광 필터만 달면 반사가 사라진다”
광량이 이론상 1/4 이하로 줄고, 금속 표면이나 투명 성형품에서는 결과가 달라집니다. 반사를 줄이는 첫 수단은 기하(동축·돔)이고, 편광은 그다음입니다.
3. “적외선이나 청색이 항상 유리하다”
청색은 이론상 회절에 유리하지만 대상의 색 대비가 안 맞으면 소용없습니다. IR은 센서 감도와 렌즈 초점 이동을 확인해야 합니다. 어느 쪽도 “항상”은 아닙니다.
✅ 한눈에 정리
| 질문 | 선택 | 주의할 점 |
|---|---|---|
| 문자·각인이 안 보인다 | 동축, 저각 링 | 반짝임이 심하면 편광 검토 |
| 흠집이 안 보인다 | 저각 암시야 | 표면 로브보다 입사각이 커야 어두운 배경 |
| 곡면 광택 부품 | 돔 | 광량이 부족하면 스트로브 |
| 인쇄를 읽고 싶다 | 잉크의 보색 | 스펙트럼은 실측으로 확인 |
| 인쇄를 지우고 싶다 | 잉크와 같은 색 | 바탕 결함 대비를 함께 확인 |
| 윤곽·치수 | 백라이트 | 단색광이 회절·색수차에 유리 |
| 불투명 액체·포장 속 | IR 850·940nm | 센서 감도, 초점 이동 |
| 반사가 계속 남는다 | 크로스 편광 | 광량 1/4 이하, 응력 무늬 |
🎯 오늘 바로 확인해볼 것
- 지금 검사하는 대상 중 하나를 위 표에서 찾아 현재 조명과 비교해 보세요. 다르다면 샘플 촬영 후보입니다.
- 사용 중인 카메라 데이터시트에서 분광감도(QE) 곡선을 확인하세요. IR·UV를 쓸 수 있는지 여기서 갈립니다.
- 라인 속도와 시야로 허용 노출을 계산하고, 편광을 넣었을 때 노출이 몇 배가 되는지 대입해 보세요.
📚 함께 읽으면 좋은 글
- 머신비전 조명 기법 – 명시야·암시야·동축·백라이트: 이 글의 전제가 되는 네 가지 기하와 노출 계산입니다.
- 편광(Polarization) 완벽정리: 말뤼스의 법칙과 브루스터각 등 크로스 편광의 원리입니다.
- 프레넬 반사와 투과율 완벽정리: 투명 필름·유리에서 반사가 왜 생기는지 설명합니다.
⏭️ 다음 글 예고
다음 글에서는 오늘 고른 조합을 실제 라인에 올리기 전에 확인할 것들을 이어서 다룹니다.