Line scan camera의 선정방법

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Line scan camera의 선정방법2021-07-20T09:37:20+00:00

Project Description

Line scan camera를 선정하기 위해서는 우선 아래와 같은 대략적인 사양을 정할 필요가 있습니다.

픽셀수 512, 1024, 2048, 4096, 6144, 7450, 8192, 12288, 16384 등
Pixel resolution 4.7, 5, 7, 14 μm 등
Data rate 20,40,50,60,80,120,160,320,640Mhz 등
카메라 Interface CoaXPress,CameraLink, 디지털, 아날로그 등
렌즈 마운트 C마운트, F마운트, M42, M72 등
기타 노광제어, 쉐이딩 보정, 안티 블루밍의 유무,  카메라 사이즈 등

위와 같은 사양을 임의로 선정하는 것은 불가능 합니다만, 사전에 어느정도 인지 할 필요가 있습니다.

예를들어, 대여 또는 구매가 쉬운 니콘의 일안 반사식 렌즈(F마운트)를 사용할 경우는 최대 사용 가능한 픽셀 수가 7450픽셀 정도가 됩니다. 센서의 길이 (픽셀 사이즈× 픽셀 수) 가 43mm를 넘는지 확인이 필요합니다.

이 이상의 픽셀 수를 가진 카메라를 사용할 경우에는 M42, M72 등의 렌즈 마운트가 필요하며, 렌즈의 가격도 올라갑니다.

픽셀 수, 픽셀 사이즈 ( 화소, 화소 수)


픽셀수를 결정하기 위해서는 촬영할 시야폭, 촬영 분해능 (mm/pix) 를 정할 필요가 있습니다.
예를 들어

 시야폭     300mm
 최소 결함 사이즈 0.2mm

라고 가정하면, 우선 최소 결함을 검출 하기 위해서는 몇 픽셀이 필요한가? 가 중요합니다.
몇 픽셀이 필요한지에 대해서는 검사 담당자와 협의하는 등 실제 실험을 통해 결정되는 경우가 많습니다만, 만약 4픽셀이 필요하다고 가정한다면,

 픽셀 분해능       = (최소 결함 사이즈) / (필요 픽셀수) 
         = 0.2/4 
         = 0.05(mm/pix)

와 같이 됩니다.

다음은 시야폭(FOV) 을 고려하면

 필요 픽셀수   = 시야폭 / 픽셀 분해능 
        = 300 / 0.05 
        = 6000 픽셀

위 계산식과 같이 6,000픽셀 이상의 카메라 6144화소의 의 카메라를 선정 해야 합니다.

다만, 경험상으로는 필요한 분해능이 약 10μm이하일 경우에는 렌즈의 한계로 인해 10μm의 물체를 정확하게 촬영 할 수 없는 경우도 있으니 주의 바랍니다.

왜 정확하게 촬영이 불가능한가? 에 대해 알아보면, 렌즈의 한계로 인해 카메라의 중심 부근에서 촬영된 영상과 양 끝부분에서 촬영한 영상은 성능이 달라지며, 양 끝부분으로 가면 갈수록 불리한 조건이 됩니다.

여기서 중요한 포인트는 큰것으로 작은 것을 커버 할 수는 없다라는 것.
동일한 Data rate인 경우에는 픽셀수가 적은 것이 빠르게 Scan을 할 수 있습니다.
또한, 픽셀수가 적은 카메라가 Sensor 픽셀 사이즈가 큰 카메라를 선정 할 수 있으며, 픽셀 사이즈가 큰 센서가 일반적으로 밝게 촬영 할 수 있습니다.

Data rate, Scan rate


Data rate은 영상 데이터를 출력하기 위한 동기신호의 주파수를 표시하며 320Mhz, 600Mhz와 같이 표현 합니다.

Scan rate는 1라인의 데이터를 1초당 몇 라인을 취득 할 것인가? 라는 값으로, 40kHz 및 70kHz와 같이 표현 합니다. 카메라의 성능을 표시하는 경우에는 최대 Scan rate를 표시하는것이 일반적입니다.

또한 Scan rate는 Hz의 역수로 계산해서 25μSec, 14μSec와 같이 표시하는 경우도 있습니다.

select-line-sensor-camera_0

Scan rate가 느리면 ( Scan 간격의 시간이 길다) 세로 방향으로 찌그러진 영상이 되며
Scan rate이 빠르면 ( Scan 간격의 시간이 짧다) 세로 방향으로 늘어난 영상이 됩니다.

 

ラインセンサカメラの選定方法 ラインセンサカメラの選定方法 select-line-sensor-camera_4
Scan rate이 느림 Sacn rate이 최적 Scan rate이 빠름

Scan rate이 빠르면 자동적으로 노광시간이 짧아지게 됨으로 영상이 어둡게 됩니다.
Scan rate이 느리면 노광시간이 길게 촬영을 하게 됨으로 영상이 밝아 집니다만,
노광시간 관련해서는 노광시간≒Scan rate이 되는 카메라와 노광시간을 Scan rate과는 별개로 설정 가능한 카메라가 있습니다. ( 당연히 Scan rate보다 긴 노광시간으로 설정은 불가능합니다.)
노광시간을 설정할 수 없는 카메라의 경우는 카메라의 Gain설정 및 렌즈의 조리개 등으로 영상의 밝기를 조정 할 수 있습니다.

[계산 예제]
 물체의 이동속도  200mm/sec
 이동방향 분해능  0.05mm/pix

의 경우

 Scan rate  = (이동방향 속도) / (분해능) = 200 / 0/05 = 4Khz
        = (분해능) / (이동방향 속도)   = 0.05 / 200 = 250μsec

가 됨으로 최대 Scan rate가 4Khz 이상의 Line sensor 카메라가 필요 합니다.

Scan rate는 검사처리능력과 직접적인 연관이 있음으로 빠르게 하기 쉽습니다만, Scan rate이 빠르면 노광시간이 짧아짐으로 그만큼 밝은 조명이 필요하게 됩니다. 또한 Scan rate이 빠른 카메라의 경우, 케이블 길이가 길면 노이즈 영향을 받기가 쉽게됨으로 긴 케이블의 사용이 불가능합니다. 최악이 경우는 1M 케이블이 아니면 노이즈 문제가 있는 경우도 있으니 주의 바랍니다. 최근에는 이런 문제를 해결 하기 위해 케이블의 중간부분에 광 케이블로 변환하여 길이를 연장 하거나, 고속 Scan rate가 가능하면서 케이블 길이를 길게 사용 할 수 있는 CpaXPress 라는 새로운 규격도 나와 있습니다.

카메라 Interface


카메라 데이터의 Interface에는 CoaXPRess, CameraLink, 디지털, 아날로그가 있습니다.
현재는 저속에 저 분해능 카메라는 아날로그, 고속에 고 분해능 카메라는 CameraLink를 많이 사용 하고 있습니다만, 카메라링크 케이블은 규격제품이며 케이블 길이는 1, 2, 5, 7, 10, 15m  등으로 사용 하는 경우가 많습니다.
또한 고속 Date rate의 Line sensor 카메라의 경우 사용 가능한 케이블 길이가 제한적임으로 이 점 주의 바랍니다.

Lens mount


Line sensor 카메라의 경우, 센서 길이가 비교적 길기 때문에
니콘의 F마운트  또는
팬탁스의 K마운트
를 사용하는 것이 일반적입니다. ( F마운트가 많음)

이들은 35mm 필름 렌즈으로 센서 길이가 43mm의 카메라까지 사용이 가능합니다.
그 외에도, 렌즈가 흔들거리지 않도록 고정하기 위해 M42 마운트를 사용하거나, 센서의 길이가 43mm를 넘는 경우에는 나사 고정 타입인 M42, M72 마운트를 사용하는 경우가 많습니다.
센서 메이터에 대해서는 광학부품 및 카메라업체 가이드를 참조 바랍니다.
렌즈의 선정에 대해서는 렌즈 선택상의 주의점를 참조 바랍니다. 。

다만, 경험상으로 F 마운트의 렌즈를 사용하는 경우에 FOV와 WD 등으로 렌즈의 초점거리를 계산하여 렌즈를 선정하기 보다 니콘의 Micro-Nikkor 55mm렌즈를 사용하여 WD를 조정하고, 촬영하고자 하는 FOV에 맞추어 촬영하는 경우도 많습니다.

정리


카메라 선정에 대해서는 조명 및 영상처리 등을 고려하여 선정 바랍니다.
무리하게 촬영 분해능 및 Scan rate을 올리게 되면 고가의 카메라, Lens,  조명, 영상입력 보드 등이 필요하게 되어 원가 상승의 원인이 됨으로 전체적인 Balance가 중요합니다.

Line sensor 카메라 메이커에 대해서는 카메라 접속 리스트와 카메라 메이커 링크페이지의 PDF 파일을 참조 해 주세요.(※Avaldata 의 홈페이지 입니다. Avaldata의 영상 입력 보드를 사용하시면 High quality support를 받으실 수 있습니다. )

그 외에도 Mavic이라고 하는 머신비젼의 방법을 정리한 홈페이지에 산업용 CCD/CMOS 카메라 검색 CameraChoice이라는 페이지가 있음으로 참조 바랍니다. (단 일본회사로 일본어로 되어 있습니다 ^.^ -> 구글 번역기 이용하면 됩니다.)