라인스캔 머신 비전 카메라의 열 유도 이미지 왜곡 방지

천문 관측에서 다양한 대기 조건과 날씨 효과가 이미지 품질에 영향을 미친다는 것은 잘 알려져 있습니다. 이는 광학 경로에서 공기의 굴절률 국소 변화 때문입니다. 이러한 변화는 파장 의존적이며 대기압과 습도 변화에 따라 달라집니다.

머신 비전 분야에서는 일반적으로 압력과 습도가 광학 경로 전체에서 일정하다고 가정할 수 있습니다. 하지만 광학 경로에 난류 기류가 있어 국소 압력 변화를 일으키는 경우는 예외입니다. 난류의 전형적인 원인은 서로 다른 온도의 부품 사이의 열대류입니다. 머신 비전에서 흔한 열원은 조명, 고부하 전자장치, 용융 금속 같은 고온 시료 등입니다.

이미징에 미치는 영향

난류 공기의 서로 다른 굴절률은 기울기 렌즈 역할을 하여 영향을 받는 영역의 이미지 내용을 왜곡시킵니다. 왜곡의 크기와 범위는 설정 의존적이어서 수학적으로 모델링하기 너무 복잡합니다. 대신 이 효과의 전형적인 크기를 보여주고 자체 설정에서 측정하는 방법을 안내하기 위해 예시 측정을 제시합니다.

라인스캔 카메라에서 스캔 방향을 따른 각 라인의 광학 왜곡은 일정하므로 이미지에서 보이지 않습니다. 이 사실은 문제를 스캔 방향에 수직인 한 공간 차원과 시간 차원으로 축소시킵니다. 두 차원은 정지 대상을 라인스캔 카메라로 촬영하여 동시에 관찰할 수 있습니다. 광학 왜곡은 이미지 내용을 x 방향으로 이동시키고, y 방향의 왜곡 확장은 시간 정보를 나타냅니다.

이 이동은 정지 선 패턴을 촬영하여 쉽게 측정할 수 있습니다. 이 측정의 기본 원리는 그림 1에 나와 있습니다. 각 x 위치 주변 몇 개 열 영역의 평균으로 기준 이미지 강도 프로파일을 얻습니다(녹색으로 표시). 정사각형 테스트 블록(빨간색 표시)을 전체 열을 따라 이동시키며 각 위치에서 테스트 데이터를 서브픽셀 단계로 보간하여 이동시킵니다. 테스트와 기준 간 상관관계가 가장 높은 이동량을 각 픽셀마다 기록하고 컬러 스케일 이미지로 시각화합니다.

그림 2는 5μm 광학 해상도의 Chromasens allPIXA 카메라로 촬영한 정지 선 패턴 이미지에서 이러한 시각화를 보여줍니다. 열원은 최대 LED 전류로 작동한 Chromasens Corona II 튜브라이트 조명입니다. 이 설정에서 광학 왜곡 크기는 0.15픽셀 미만입니다. 난류는 이동 이미지에서 유사한 왜곡 영역으로 나타나며, 10~30mm 크기로 확장되고 200~800ms 동안 지속됩니다.

이 측정은 표준 조명의 열대류로 인한 이미지 교란 크기가 표준 검사 작업에 눈에 띄는 영향을 주지 않음을 보여줍니다. 그러나 서브픽셀 정확도에 의존하는 특수 이미지 처리 작업(예: 서브픽셀 정확도 특징 추출 또는 서브픽셀 기반 이미지 상관관계)은 이러한 왜곡으로 인해 측정 정확도가 저하될 가능성이 높습니다.

이미지 왜곡 억제

이미지 왜곡 효과는 난류를 방지함으로써 억제할 수 있습니다. 이를 위해 팬을 이용해 층류 기류를 생성할 수 있습니다. 층류에서는 압력이 일정하므로 기울기 렌즈 효과가 발생하지 않습니다. 기류는 열원 전체 표면을 덮거나, 난류가 발생할 가능성이 있는 광학 경로 전체 부피를 덮어야 합니다.

두 번째 옵션은 광학 경로가 평면으로 제한되는 라인스캔 카메라에서 일반적으로 더 쉽게 구현할 수 있습니다. 팬을 카메라 옆에 설치하여 센서 라인을 따라 흐르도록 할 수 있습니다. 위 예시에서 튜브라이트의 시청 슬릿 바로 아래 공기 부피를 층류로 퍼퓨즈해야 합니다. 조명의 측면 벽이 공기 흐름의 직접적인 측면 접근을 차단하므로, 팬을 튜브라이트 위에 설치하고 기울어진 각도로 시청 슬릿 안으로 불게 했습니다(그림 3 참조). 이 방법으로 왜곡 크기를 식별 불가능할 정도로 작게 줄였습니다.

결론

광학 경로 근처의 열원은 이미지 왜곡을 일으켜 이미지 내용의 위치를 국소적으로 이동시킵니다. 라인스캔 카메라의 경우, 시야의 몇 mm를 덮는 유사한 이동 영역이 약 1초 정도의 시간대에 나타났다 사라집니다. 이미지 내용의 서브픽셀 분석은 이 이동으로 부정적 영향을 받습니다. 이 효과를 억제하려면 난류의 영향을 받는 광학 경로 전체 부피를 팬에서 나오는 층류 기류로 덮는 것이 좋습니다.

본 기사는 Timo Eckhard(연구 및 혁신 팀 리더, 혁신 및 IP 관리)와 Sebastian Georgi(연구 및 혁신 매니저), Chromasens GmbH(독일 콘스탄츠)가 작성했습니다. 자세한 정보는 Eckhard 씨(이메일: 보호됨), Georgi 씨(이메일: 보호됨)에게 문의하거나 여기를 방문하세요.