이런 상황을 생각해 보세요. 아침에 세팅했을 때는 합격 판정이 잘 나오던 검사가, 오후가 되자 같은 제품에서 오검출이 늘어납니다. 렌즈도 카메라도 그대로인데, 달라진 건 조명입니다. 비전 조명의 문제는 크게 둘로 나뉩니다. 한 장 안에서 위치마다 밝기가 다른 균일도 문제, 그리고 시간·부품·설비가 바뀌어도 같은 밝기가 재현되지 않는 반복성 문제입니다.
이 글에서는 두 문제를 구분하고, 조합을 라인에 올리기 전에 확인할 순서까지 정리합니다.
📌 시리즈 위치 — 광학 시리즈 7단계 ‘비전 조명’의 세 번째 글입니다. 이전 글: 머신비전 조명 기법 → 머신비전 조명 선정 가이드
🧭 균일도와 반복성은 다른 문제입니다
- 균일도는 공간의 문제입니다. 한 장의 이미지 안에서 중앙과 가장자리의 밝기가 얼마나 다른가를 봅니다.
- 반복성은 시간의 문제입니다. 같은 시료를 같은 조건으로 여러 번 찍었을 때 밝기가 같은 값으로 나오는가를 봅니다.
균일도가 좋아도 반복성이 나쁠 수 있고, 반대도 가능합니다. 원인과 대책이 달라서 따로 점검해야 합니다. 균일도를 숫자로 계산하는 방법(최소÷최대, CV, 평균대비 편차)은 조명 균일도 계산 가이드에 정리되어 있습니다.
🔆 균일도: 시야 가장자리가 어두워지는 이유
가장자리가 어두워지는 데는 두 가지 기하학적 원인이 겹칩니다.
- 조명 쪽: 점광원이 평면을 비추면 가장자리는 거리도 멀고 입사각도 비스듬해서 어두워집니다. 이 블로그의 코사인 법칙/역제곱 법칙 글에서 다룬 식이 그대로 적용됩니다.
- 렌즈 쪽: 렌즈에는 자연 비네팅(cos⁴ 법칙)이 있습니다. Wikipedia의 Vignetting 항목에 따르면 조리개를 조여도 없어지지 않고, 주로 광각 렌즈에서 두드러집니다.
시야 반폭을 작동거리로 나눈 값을 r이라 하면, 가장자리 밝기는 중앙 대비 아래처럼 줄어듭니다.
θ = atan(r)
조명(점광원 모델): E(가장자리) / E(중앙) = cos³θ
렌즈(자연 비네팅): cos⁴θ
r = 0.25 → θ = 14.04° → 조명 0.913, 렌즈 0.886
r = 0.50 → θ = 26.57° → 조명 0.716, 렌즈 0.640
📌 계산 근거 — 이상적인 점광원과 단순 렌즈 모델 값입니다. 카메라와 조명이 같은 작동거리에 있다고 가정했습니다. 기존 글의 예(높이 1m, 수평 1m에서 35.4 lx)를 같은 식으로 재계산해 일치함을 확인했습니다(cos³45° = 0.354).
💡 팁 — 가장자리 밝기를 올리는 가장 단순한 방법은 r을 줄이는 것입니다. 조명을 시야보다 충분히 크게 잡거나 작동거리를 늘립니다. 다만 거리를 늘리면 중앙도 어두워지니 광량과 맞바꾸는 선택입니다.
🌡️ 반복성: 켜는 순간부터 밝기가 변합니다
반복성을 깨는 요인은 온도, 노화, 전류, 주변광과 카메라 설정입니다. 업계 기사 두 편(Quality Magazine, ASSEMBLY)도 같은 요인을 꼽습니다. 둘 다 2차 자료이고, ASSEMBLY 기사는 조명 제어기 업체(Gardasoft) 제공 자료를 바탕으로 해서 수치는 확실하지 않음으로 보는 편이 안전합니다.
온도가 특히 큽니다. LED는 정션 온도가 오르면 광출력이 줄어드는데, 자료마다 계수가 다릅니다.
| 출처 | 감소율 | 성격 |
|---|---|---|
| 이 블로그 열설계 기초 | 약 −0.3%/℃ | 글에서 ‘설명용 가정’이라고 밝힌 값 |
| TT Electronics 앱노트 228 | 약 −0.5%/℃ (10℃당 5%) | 일반적인 III-V LED의 광효율 기준 |
| ASSEMBLY 기사 | 약 −0.6%/℃ (25→90℃에서 최대 40%) | 업체 제공 자료 기반 기사 |
색상과 제품에 따라 달라서, 실제 값은 쓰는 LED의 데이터시트로 확인해야 합니다. 정션 온도가 30℃ 오른다고 가정하면 계수별 결과는 이렇습니다.
| 계수 | 상대 밝기 | 그레이값 180이 → |
|---|---|---|
| −0.3%/℃ | 91.0% | 163.8 |
| −0.5%/℃ | 85.0% | 153.0 |
| −0.6%/℃ | 82.0% | 147.6 |
점등 직후 정션이 실제로 몇 ℃ 오르는지는 방열 구조에 따라 다르고, 이 글에서는 확인하지 못했습니다. 직접 측정해야 합니다.
전류도 있습니다. LED 밝기는 전압이 아니라 전류에 따라 정해지고, ASSEMBLY 기사는 1% 전류 변화가 대략 1% 밝기 변화에 해당한다고 설명합니다. 그래서 정전류 구동이 기본입니다(LED 드라이버 기초). 노화는 광속유지율(L70) 글에서 다룬 대로 서서히 진행되므로 정기 재측정이 필요합니다.
🧮 밝기가 변하면 측정값은 얼마나 움직일까
밝기 변화가 왜 문제인지 단순한 모델로 계산해 보겠습니다. 에지가 w픽셀에 걸쳐 선형으로 밝아지고, 이진화 임계값은 처음 밝기의 50%로 고정되어 있다고 가정합니다. 밝기가 d만큼 줄면 임계값을 가로지르는 위치가 이동합니다.
이동(px) = 0.5 × w × d / (1 − d)
w = 4px, d = 15% → 0.5 × 4 × 0.15 / 0.85 = 0.353px
화소 크기 50µm(예시) → 약 17.6µm
| 에지 폭 | d=5% | d=10% | d=15% | d=20% |
|---|---|---|---|---|
| 2px | 0.053 | 0.111 | 0.176 | 0.250 |
| 4px | 0.105 | 0.222 | 0.353 | 0.500 |
| 6px | 0.158 | 0.333 | 0.529 | 0.750 |
📌 계산 근거 — 위 식을 Python 수치 탐색으로도 풀어 해석식과 일치하는지 확인했습니다(2.3530 대 2.3529). 단위는 픽셀입니다.
⚠️ 주의 — 단순화한 모델 값이지 측정값이 아닙니다. 실제 에지 프로파일, 서브픽셀 알고리즘, 임계값을 매번 다시 정하는 방식이면 이동량이 달라집니다. 방향(밝기가 변하면 위치가 움직인다)을 이해하는 용도로 보세요.
🛠️ 라인에 올리기 전 확인 순서
- 예열 후 기준을 잡습니다. 점등 후 밝기를 일정 간격으로 기록해서 변화가 멈추는 시점을 찾고, 그 뒤에 기준 이미지를 찍습니다. 안정까지 걸리는 시간은 조명과 방열 구조마다 달라 직접 측정해야 합니다.
- 카메라 자동 노출·게인을 끕니다. 켜 두면 조명 변화가 이미지에서 가려져 원인을 찾기 어렵습니다.
- 균일도를 측정합니다. 포화되지 않는 밝기에서 평평한 기준 시료를 찍고, 시야를 격자로 나눠 위치별 평균 그레이값을 구합니다. 최소÷최대나 CV로 정리합니다.
- 반복성을 측정합니다. 같은 시료, 같은 위치에서 연속으로 N장을 찍어 평균 그레이값의 CV를 봅니다. 예를 들어 8장의 평균이 150.06이고 CV(n−1)가 0.178%라면 짧은 시간 동안은 안정적이라는 뜻입니다. 합격 기준 수치는 공정 요구에 맞춰 정하세요. 표준값은 확인하지 못했습니다.
- 구동과 제어를 확인합니다. 정전류 구동에 더해 온도 피드백, 광센서 피드백, 카메라 기반 폐루프 제어 같은 선택지가 있습니다(Quality Magazine).
- 주변광과 오염을 관리합니다. 렌즈와 LED 표면 오염도 밝기 변동 원인으로 꼽힙니다(ASSEMBLY).
- 플랫필드 보정은 마지막에 씁니다. Basler 자료에 따르면 조명 불균일과 렌즈 비네팅 등을 보정할 수 있습니다. 다만 원리상 어두운 영역은 게인을 올려 보정하므로 노이즈도 함께 커질 수 있습니다(일반 원리이며 이 글에서 확인한 출처는 없습니다).
❌ 자주 하는 오해 3가지
오해 1. 눈으로 균일해 보이면 균일하다
사람 눈은 밝기 차이에 적응합니다. 카메라는 그레이값으로 그대로 기록하니, 판단은 이미지의 그레이값으로 해야 합니다.
오해 2. 플랫필드 보정을 하면 조명 균일도는 신경 쓰지 않아도 된다
보정은 이미 찍힌 밝기를 곱해서 맞추는 방식입니다. 포화됐거나 너무 어두워 신호가 부족한 영역은 복구되지 않습니다. 조명을 바꾸면 보정 이미지도 다시 만들어야 합니다.
오해 3. 한 번 세팅하면 계속 같은 밝기다
온도, 전류, 노화, 오염이 모두 밝기를 움직입니다. 세팅 시점의 기준 이미지를 남기고 주기적으로 같은 시료로 비교해야 합니다.
📋 한눈에 정리
| 구분 | 균일도 | 반복성 |
|---|---|---|
| 질문 | 한 장 안에서 위치별 밝기가 같은가 | 여러 장·시간·설비에서 같은 값이 나오는가 |
| 주요 원인 | 조명 기하(cos³θ), 렌즈 비네팅(cos⁴θ) | 온도, 전류, 노화, 오염, 카메라 설정 |
| 확인 방법 | 격자 위치별 그레이값 → 최소÷최대, CV | 연속 N장 평균 그레이값의 CV |
| 대책 | r 줄이기, 조명 크기 키우기, 플랫필드 보정 | 예열, 정전류, 피드백 제어, 주기 점검 |
✅ 오늘 바로 확인해볼 것 3가지
- 같은 시료를 점등 직후와 일정 간격으로 여러 번 찍어 평균 그레이값이 어떻게 변하는지 봅니다.
- 시야 중앙과 가장자리의 그레이값을 비교해 기본 균일도(최소÷최대)를 구합니다.
- 카메라의 자동 노출과 자동 게인이 꺼져 있는지 확인합니다.
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