광학 설계: 산란광 문제는 자주 간과된다

머신 비전 프로젝트에서 광학 설계의 품질은 시스템이 효율적이고 정확하게 작동할 수 있는지를 직접적으로 결정합니다. 그러나 산란광의 존재는 이미지 품질에 심각한 위협이 될 수 있습니다.

고정밀 산업 검사 또는 자율주행을 위한 실시간 인식 시나리오에서 산란광에 의한 아티팩트, 무지개 글레어, 이미지 흐림 현상과 같은 문제는 판단 오류 및 정확도 저하로 이어질 수 있습니다.

그렇다면 머신 비전 광학 시스템 설계 시 산란광과 관련하여 고려해야 할 요소는 무엇이며, 어떤 해결책이 있을까요?

I. 산란광의 발생원과 위험성

스트레 라이트는 정상적인 이미징 경로에서 벗어나 해로운 영향을 주는 빛을 의미하며, 그 원인은 상대적으로 복잡합니다.

스트레 라이트의 일반적인 발생 원인은 다음과 같습니다:

1. 렌즈 관련 문제: 코팅 불균일, 반사율이 과도하게 높거나 표면 마감이 좋지 않아 렌즈 표면에서 다중 반사가 발생할 수 있습니다.

2. 기계 부품: 내부 반사 방지 설계 부족, 산화 블랙닝 처리 불충분, 조리개 치수 제작 불량 등도 스트레 라이트를 유발할 수 있습니다.

3. 광학 설계 결함: 광학 경로 구조에 잠재된 위험 요소는 또 하나의 주요 스트레 라이트 발생원입니다.

스트레 라이트가 이미지 품질에 미치는 영향은 무시할 수 없습니다. 이는 다음과 같은 영향을 미칩니다:

1. 이미지 해상도와 대비도를 저하시키며 세부 사항이 흐려져 탐지 정확도에 심각한 영향을 줄 수 있습니다.

2. C 고스트 현상 및 가상 이미지가 발생하여 실제 이미지가 가려지고 판단 오류를 일으킬 수 있습니다.

3. 특정 조건에서는 산란 및 무지개 플레어가 발생하여 강한 광원 주위의 색상 반점이 이미지 분석을 방해할 수 있습니다.

4. 전체적으로 흐린 이미지가 생성되어 화면이 회색으로 보이고 검은색과 흰색 영역 간 경계가 흐려집니다. 컬러 이미지의 경우도 안개 현상이 발생할 수 있습니다.

5. 렌즈의 광학 축과 시야 내 광원 사이에 각도가 존재할 때 번짐 현상이 발생하여 원래 영역이 가려지고 정보 손실이 발생할 수 있습니다.

II. 산광 해결 방안

1.  광학 설계 최적화:  

고품질 코팅 사용: 렌즈 표면에 다층 저반사 코팅을 적용하여 빛의 반사를 효과적으로 줄일 수 있습니다.

합리적인 광로 설계: 광선 추적 시뮬레이션을 통해 광로 구조를 최적화하여 산광이 이미지 영역으로 들어오는 것을 방지합니다.

스트레이나이트 조리개 사용: 광학 경로에 조리개를 추가하여 비정상적인 빛을 차단할 수 있습니다.

2. 외부 광원 제어:

강한 외부 광원 차단: 촬영 환경에서 렌즈 후드 또는 배플을 사용하여 강한 빛의 직사광선을 줄이십시오.

광원 각도 조정: 렌즈 광학 축과 광원 사이의 각도가 과도하지 않도록 하여 렌즈에 반사되는 빛을 최소화하십시오.

편광 필터 사용: 특정 방향의 빛을 필터링하여 산란광 간섭을 줄이십시오.

3. 기계적 구조 개선:  

광학 시스템 주변 부품 최적화: 반사 방지 처리(예: 매트 블랙 페인트 도포)를 적용하여 반사를 줄이십시오.

광 차단 구조 추가: 이미지 센서 영역으로 산란광이 들어오는 것을 방지하십시오.

4. 후처리 이미지 보정:  

피할 수 없는 상황에서는 안개 제거 및 잡음 제거와 같은 이미지 처리 알고리즘을 사용하여 산란광의 영향을 완화하십시오.

주변 광량에 따라 카메라 노출 파라미터를 동적으로 조정하여 과다 노출 또는 노출 부족을 방지합니다.

III. 실제 사례

산업 검사 프로젝트에서 고객은 강한 주변광 아래에서 심각한 이미지 후광 현상이 발생하여 검출 정확도가 크게 떨어졌다고 보고함. 분석 결과, 산란광의 주요 원인은 렌즈 내부의 반사와 외부 강광의 직접 노출인 것으로 확인됨.

다음과 같은 조치를 시행함:

1. 기계 부품의 반사를 줄이기 위해 렌즈 내부에 반사 방지 코팅을 추가함.
2. 촬영 환경에 렌즈 후드를 설치하여 외부 강광을 차단함.
3. 광학 설계에 산란광 방지 조리개를 추가하여 최적화함.

이러한 개선 조치 후 이미지 품질이 크게 향상되었고, 검출 정확도도 기대 수준으로 회복됨.

Iv. 결론

프레임 그래버 선택 시 고려 요소:

산란광은 이미지 품질과 시스템 성능에 직접적인 영향을 미기 때문에 기계 시각 광학 설계에서 간과할 수 없는 중요한 문제입니다.

산란광을 최소화하기 위해 이미징 렌즈는 광학 설계, 구조 설계, 렌즈 가공, 기계 부품 가공 및 조립의 모든 단계에서 산란광 방지 대책이 필요합니다.

광학 설계를 최적화하고 외부 광원을 제어하며, 기계적 구조를 개선하고 이미지 보정 후 처리 기술을 적용함으로써 산란광의 간섭을 효과적으로 줄여 시스템의 안정성과 정확도를 향상시킬 수 있습니다.

실제 응용에서 요구 사항과 특정 상황에 따라 솔루션을 유연하게 선택하여 다양한 복잡한 환경에서 머신 비전 시스템이 안정적으로 작동할 수 있도록 해야 합니다.