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(인하대학교, 인하대학교 대학원)

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머신비전 기술은 산업구조가 고도화된 1980년대 후반부터 널리 활용되고 있으며 응용범위가 넓어져 현재 모든 산업 분야에 사용되고 있다. 최근 우리나라는‘저탄소 녹색 성장’을 미래 국가 비전으로 제시하고 있으며 특히 LED 조명산업 비중이 확대되고 있다. 공장 자동화(FA) 설비에서 매우 중요한 머신비전 시스템에 사용되는 조명은 저탄소 녹색성장에 부합되는 LED로 교체되고 있다. LED 조명은 장점인 긴 수명, 균일한 조도, 우수한 명암 대비(contrast) 그리고 안정된 밝기가 보장된다. 이에 따라, 원활한 검사와 취득 정보량이 증가되어 검사 뿐 아니라 측정 또는 제어 등으로 머신비전 시스템에서 LED 조명의 수요가 꾸준히 성장하고 있다. 머신비전은 반도체, OLED, 스마트폰, 배터리, 가전, 자동차, 식품, 유통, 농업 등 다양한 분야로 계속 확산될 전망이다. 머신비전이 고기능화 됨에 따라 머신비전에 사용되는 LED 조명 제어기에도 고광량, 빠른 응답성, 세밀하고 정확한 광량제어 성능이 요구되고 있다.
본 논문에서는 머신비전에 사용되는 종래의 LED 조명 제어 기술인 정전압 제어, 정전류 제어, PWM 제어, 스트로브(strobe) 제어방법의 장단점을 비교하고, 프레임(frame) 카메라를 위한 LED 조명 제어방법과 라인 스캔 카메라를 위한 최적의 LED 조명 제어방법을 제안하였다.
프레임 카메라를 위한 LED 조명 제어방법으로 기존의 스트로브 제어 방법과 정전류 제어방법의 장점을 결합한 hybrid-dimming 제어방법을 제안하였다. Hybrid-dimming 제어 기술은 기존의 스트로브 제어방법에서는 구현하지 못하는 출력 전류와 출력 시간을 미세하게 조절할 수 있는 제어방법이다. 본 논문에서 제안하는 기술은 짧은 시간 동안 고출력을 내는 방법이다. 이러한 특징으로 LED 조명의 누적 발열을 크게 줄일 수 있으며 LED 조명에 인가하는 전류와 on-time을 개별적으로 가변 할 수 있는 특징으로 인해 LED 조명을 이용하여 영상 추출 시 영상판별을 어렵게 만드는 빛의 포화 현상을 제거할 수 있다. 이처럼 본 논문에서 제안하는 hybrid-dimming 제어 기술은 광 출력을 제어할 수 있어 검출 시료의 특성에 따라 머신비전 시스템에 최적화된 환경을 구현할 수 있다.
라인 스캔 비전 시스템은 연속적인 이미지를 취득해야 하므로 PWM 제어방법이나 스트로브 제어방법 보다는 정전류 제어방법이 적합하다. 라인 스캔용 LED 조명의 형태는 개별 LED가 일렬로 길게 배치되어 있는 구조이다. 이러한 형태의 구조는 LED 소자의 물리적 특성에 대한 영향을 크게 받으며 LED 소자 간 편차가 클수록 해당 구간에 대한 균일도는 무너진다. 균일도를 유지하기 위해 물리적 특성이 동일한 LED로 라인 스캔용 LED 조명을 구성하기란 매우 힘들며 가격 또한 매우 비싸진다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 "User calibration"이라는 기술을 제안하고, LED 소자들 간 발생하는 밝기 편차를 오프셋과 기울기를 동시에 보정함으로써 균일도가 향상됨을 실증하였다.
#머신비전 #Hybrid-dimming control #User calibration 기술 #PWM 제어 방법 #Strobe 제어 방법

목차

  1. 제 1 장 서 론 1
    1.1 연구의 배경 1
    1.2 연구의 목적 2
    1.3 머신비전을 위한 조명 기술 4
    1.3.1. 설치 환경 요인(physical constraints) 4
    1.3.2 물체 특성(object characteristics) 6
    1.3.3 명암 대비(contrast) 조절 방법 6
    1.3.4 센서와 파장(sensors and wavelength) 7
    1.3.5 빛의 고유 특성 8
    1.3.6 명시야와 암시야(bright field & dark field) 9
    1.3.7 후면조명(backlight) 11
    1.3.8 조명 색상의 반사 및 흡수를 이용한 응용 이미지 12
    1.3.9 금속표면의 분광 반사율 차이를 이용한 응용 이미지 14
    1.3.10 조명 파장에 따른 응용 이미지 - IR과 UV 17
    1.3.11 조명 형태에 따른 응용 이미지 19
    1.3.12 조명 조사위치에 따른 응용 이미지 21
    1.3.13 LWD(light working distance)에 따른 응용 이미지 22
    1.3.14 편광 필터를 이용한 응용 이미지 23
    1.4 머신비전용 LED 조명 조사구조에 따른 응용 사례 24
    1.4.1. Direct ring(DR) 조명 25
    1.4.2. Direct low-angle(DLA) ring 조명 26
    1.4.3. Direct bar(DB) 조명 27
    1.4.4. Indirect flat ring(IFR) 조명 29
    1.4.5. Indirect low-angle(ILA) ring 조명 30
    1.4.6. Dome 조명 31
    1.4.7. 후면 조명(backlight) 33
    1.4.8. 동축(coaxial) 조명 34
    1.4.9. Indirect flat-dome(IFD) 조명 35
    1.4.10. Spot 조명 37
    제 2 장 머신비전 LED 조명 제어 기술 38
    2.1 종래의 머신비전 LED 조명 제어 기술 39
    2.1.1 정전압 제어방법 39
    2.1.2 정전류 제어방법 41
    2.1.3 PWM 제어방법 42
    2.1.4 스트로브 제어방법 44
    2.1.5 PWM 제어와 스트로브 제어에 따른 결과 및 분석 49
    2.1.6 머신비전 LED 조명 제어방법에 따른 장점과 단점 52
    2.2 Hybrid-dimming 제어방법 제안 54
    2.2.1. Hybrid-dimming 제어 회로 55
    2.2.2 Hybrid-dimming 제어의 구동 원리 56
    2.2.3 전류 및 출력 on-time 제어 57
    2.3 라인 스캔 LED 조명 제어의 "User calibration" 기술 제안 58
    2.3.1 라인 스캔 시스템의 구성 60
    2.3.2 라인 스캔 광원 제어회로 62
    2.3.3 "User calibration" 기술 63
    2.3.3.1 오프셋 보정 63
    2.3.3.2 기울기 보정 64
    2.3.3.3 오프셋과 기울기 동시 보정 65
    제 3 장 실험 및 결과 69
    3.1 Hybrid-dimming 제어방법 실험 69
    3.1.1 Hybrid-dimming 제어에 따른 영상 측정 결과 및 분석 69
    3.1.2 Hybrid-dimming 제어의 결론 75
    3.2 라인 스캔 LED 조명 제어 실험 76
    3.2.1 "User calibration" 실험 결과 및 고찰 76
    3.3.2 라인 스캔 조명 시스템의 "User calibration" 기술 결론 85
    제 4 장 결 론 86
    참고문헌 88

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