머신비전 카메라 선정할 때 고려해야 할 사항

머신비전 카메라 선택

머신비전 카메라, 렌즈, 조명 등 다양한 제품들이 나와 있습니다.

여러분이 들고 있는 휴대폰을 조립할 때도 머신비전 카메라가 사용되는데요.

실제로 머신비전 업계에 많은 사람이 일을 하고 있지만 광학계를 제대로 선정하는 사람은 많지 않습니다.

 

이번 글에서는 머신비전 카메라를 선정할 때 고려해야 하는 몇 가지를 이야기해 보려고 합니다.




머신비전 카메라 선정할 때 고려해야 할 사항

머신비전 카메라 스캔 방식

머신비전 카메라의 스캔 방식은 크게 두 가지가 있습니다.

스캔 방식을 선택할 때는 환경이 영향을 미치게 되는데요. 언제 사용하는지 알아보겠습니다.

Area Scan

에어리어 스캔 방식은 무엇인가?

에어리어 스캔은 한국말로 번역하면 영역 스캔이라고 하는데 항상 뭔가 어색합니다.

어려울 것 없이 에어리어 스캔 카메라는 우리가 손에 들고 다니는 휴대전화나 DSLR과 같은 카메라입니다.

셔터를 한 번 누르면 이미지 한 장이 취득되는 일반적인 형식의 카메라인데요.

일반적으로 Align 하거나 정지 상태에서 일정한 영역을 촬상할 때 사용합니다.

 

Line Scan

라인 스캔 카메라는 사무실에서 사용하는 스캐너처럼 한 줄씩 이미지를 취득하는 형태를 갖고 있습니다.

에어리어 스캔 방식은 한 장을 한 번에 찍는다면 라인스캔은 카메라가 이동하거나 대상체(오브젝트)가 이동하면서 촬상을 합니다.

대체로 Roll to Roll 방식이나 라인이 멈추지 않는 상태로 이미지를 취득해야 할 때 효율적으로 사용할 수 있습니다.

 

아무리 생산라인이라도 라인스캔 카메라로 촬상하면 안되는 방식이 있는데요

대상체가 정밀 스테이지 위에서 일정하게 이동하는 방식이 아닌 흡착 기능이 없는 컨베이어에서 이동하게 된다면 좌우로 흔들리거나 위아래로 출렁일 때 이미지의 왜곡이 그대로 표현될 수 있습니다.

 

머신비전 카메라 해상도

카메라 해상도를 이야기 할 때 2메가 12메가 등 메가로 이야기 하거나 2백만 화소, 천만 화소 등 으로 이야기 하는데요.

이 해상도는 가로 픽셀 x 세로픽셀을 이야기 합니다.

 

12메가 카메라로 이미지를 촬상한다고 예를 들어보겠습니다.

이미지 한 장의 사이즈는 가로 4000px, 세로 3000px의 이미지가 취득되는데요.

가로 세로를 곱했을 때 나오는 숫자는 12,000,000(천이백만) 입니다.

이미지 용량은 1px이 1byte이기 때문에 12메가  이미지가 나오게 됩니다.

화소는 위에서 곱해서 나온 1천 2백만 화소라고 이야기 합니다.




머신비전 카메라 센서

머신비전 카메라 센서는 색상으로 표현하면 흑백을 모노(Mono) 센서라고 하며, 컬러 센서는 베이어(Bayer)  센서라고 합니다.

실질적으로 우리가 아는 컬러 센서는 RGB 패턴을 갖고 있는데요 이 패턴을 Bayer 패턴 이라고 이야기 하기 때문입니다.

 

셔터 동작 방식도 크게 두가지가 있습니다.

바로 롤링 셔터(Rolling Shutter) 방식과 글로벌 셔터(Global Shutter) 방식이 있습니다.

 

롤링셔터

롤링 셔터는 가성비가 좋은 센서로 상단부터 하단으로 순차적으로 이미지가 생성됩니다.

그렇기 때문에 움직이는 물체를 찍게 되면 기울어진 이미지가 찍히게 됩니다.

손에 있는 휴대폰이나 자동차의 블랙박스도 롤링 셔터 센서로 촬상 되기 때문에 블랙박스에서 자동차 와이퍼가 찍힌 동영상을 보면 와이퍼가 활처럼 휘어 있는 것을 보실 수 있습니다.

 

글로벌 셔터

글로벌 셔터는 센서 가격이 롤링셔터보다 비싸지만 롤링셔터의 단점을 극복할 수 있습니다.

빠르게 움직이는 물체를 촬상할 때 전체 면적이 동시에 이미지로 변환되기 때문에 움직임에 따른 왜곡이 없습니다.

만일 대상체가 빠르게 움직인다면 글로벌 셔터 센서의 카메라로 촬상하는 것이 좋은 방법 입니다.

 

머신비전 카메라 인터페이스

머신비전 카메라 인터페이스는 크게  6 가지가 있습니다.

Analog

아날로그 인터페이스는 사실상 거의 사라진 인터페이스 입니다.

1.5메가 카메라 정도까지만 전송할 수 있는 속도 인데요.

예전 브라운관으로 TV를 볼 때는 대부분 이 방식으로 전송되었지만 이제는 해상도가 높아짐에 따라 사용하지 않습니다.




GigE

GigE 카메라는 우리가 흔히 쓰는 LAN Cable을 사용합니다.

1GB 이미지 전송 속도를 갖고 있으며, LAN Cable로 카메라의 전원을 공급하는 POE(Power over Ethernet) 인터페이스가 대체적으로 사용됩니다.

최근에는 5GigE, 10GigE로 전송량을 대폭 늘린 인터페이스가 나왔는데요.

일반적인 NIC(Network Interface Card)는 1GB까지만 지원하며 전용 NIC를 사용해야 성능을 온전히 낼 수 있습니다.

GigE 인터페이스는 이론적으로 100m 이상 전송이 가능하기 때문에 CCTV나 대형 설비에서 많이 사용합니다.

USB

USB 인터페이스는 유럽에서는 많이 사용한다고 하는데 한국에서 만드는 장비에서는 거의 사용하지 않는 인터페이스 입니다.

최근 USB3.2버전의 경우 10G 까지 전송되는데요. 썬더볼트까지 개발이 되고 있다고 합니다.

하지만 케이블 전송길이가 너무 짧기 때문에 한국의 장비에는 적합하지 않습니다.

 

Camera Link

카메라 링크 인터페이스는 3년 전 까지만 해도 가장 많이 사용하는 인터페이스였습니다.

왜냐하면 장비의 생산성을 높이기 위해  고해상도 이미지나 프레임 레이트가 빠른 카메라들이 인기가 많았었는데요.

케이블도 7미터~10미터 정도까지 무난한 길이를 사용할 수 있었습니다.

 

카메라 링크는 Base, Medium, Full 등급이 있는데요.

Full은 케이블 2개가 카메라 하나에 연결되며, 최대 전송속도는  6.8Bbps 입니다.

 

Full 급 카메라는 차세대 인터페이스인 CoaXPress 케이블 1가닥 속도밖에 나오지 않기 때문에  지금은 점점 사용하지 않게 되고 있습니다.

아래에 소개해 드리려는 인터페이스는 Coaxpress 인터페이스입니다.

카메라 링크에서 감당하기 버거운 해상도의 이미지 센서가 나오고 시장에서는 더 빠른 카메라를 원하기 때문입니다.

CoaXPress

코엑스 프레스라고 읽는데요. CoaXPress 인터페이스의 경우 GigE와 Camera Link의 장점만 모아놓은 인터페이스입니다.

케이블 길이는 CoaxPress 6의 경우 100미터까지 사용 가능합니다.

게다가 카메라 전원까지 전송하기 때문에 케이블이 단순해 집니다.

초당 전송속도는 CXP-6의 경우 6.25Bbps, CXP-12의 경우 12.5Bbps까지 전송하기 때문에 최신 트렌드에 맞는 인터페이스라고 볼 수 있습니다.

예전에 비해 CoaXPress 인터페이스 카메라 라인업이 많아졌습니다.

최신 카메라는 코엑스 프레스 인터페이스로 개발되고 있어 앞으로도 더 늘어날 것이라 생각합니다.




QSFP+

QSFP+는 광통신이라고 생각하시면 됩니다. 아직은 지원하는 카메라가 많지 않기 때문에 지금은 특별한 상황이 아니라면 검토하실 필요 없습니다.

광통신인만큼 카메라 전원은 별도로 넣어줘야 하지만 전송길이 제약이 없고 40Bbps까지 데이터를 전송할 수 있습니다.

 

하지만 카메라 라인업이 적기 때문에 아직은 보편화되어있지 않습니다.

 

머신비전 카메라 마운트

카메라 마운트는 크게 C, F, M 마운트로 나뉩니다.

C-mount로 감당할 수 있는 카메라 센서는 4/3″이기 때문에 그 이상의 센서를 가진 카메라일 경우 F-Mount, M-Mount로 지원합니다.

F-Mount는 Nikon F의 표준마운트와 동일하고 M 마운트는 나사를 표현할 때 사용하는 M 입니다.

M42, M58, M72 마운트들은 모두 구경을 이야기 합니다.

 

머신비전 카메라 제조사

머신비전 카메라 제조사는 다양한데요 한국에서 많이 알려져 있는 카메라 제조사는 아래와 같습니다.

  • Basler(바슬러)
  • Crevis(크레비스)
  • JAI(자이-제이에이아이)
  • Sentech(오므론 센텍)
  • SVS-VISTEK
  • HIK(하이크)
  • Huaray(후아레이)
  • Vieworks(뷰웍스)
  • Teledyne Dalsa(텔레다인-달사)
  • Teledyne-FLIR(텔레다인 플리어)

 

센서 그래프 QE(Quantum Efficiency)와 Relative response의 차이는?

센서 감도 그래프

파장대 별로 카메라 센서 감도를 확인하기 위해 사양서 들여다 봅니다.

그래프를 보고 더 나은 센서라고 생각하고 어렵게 카메라를 구했는데 이미지가 영 좋지 않은 경우도 있는데요.

 

어느 정도 머신비전에 익숙해졌을 때 렌즈의 사양만 가지고 밝은 렌즈, F 값이나 NA 등 전문적인 사양을 가지고 이야기하게 됩니다.

시간이 지나면 카메라는 거기서 거기라는 생각을 갖게 되죠.

이 이야기는 사실 맞는 말이기도 합니다.

머신비전 카메라를 계속 다루다 보면 센서는 거기서 거기거든요.

 

결국 카메라 제조사는 센서를 사 와서 제조하는 것이기에 말이죠.

 

파장별 센서 감도 그래프만 보고 이미지 품질을 판단하면 안 되는 이유





만일 특별한 솔루션을 제공해야 하는데 센서 그래프 모양만 보고 선택한다면 잘못될 수 있습니다.

세로 축의 명칭을 확인해야 하는데요.

대부분 아래 두 가지로 나타냅니다.

QE(Quantum Efficiency)와 Relative response

QE(Quantum Efficiency)

이 두 명칭의 차이는 무엇일까?

빛은 전기이고 전기 또한 빛이라고 이야기하는데요. 태양전지는 바로 이 논리에서 개발된 전지입니다.

QE는 광자 효율을 나타내는 것으로 빛은 광자인데 이 광자가 센서에서 전자로 바뀌는 효율입니다.

100의 광자가 센서에 닿았을 때 70%만 전자로 바뀌었다면, QE는 70%가 되는 것입니다.

 

Relative response

Relative response는 상대값입니다. 센서 스스로 평가를 하는 것인데요.

내가 가장 많이 전자로 바꿀 수 있는 수치를 1로 봤을 때 나머지 파장별 수치를 나타냅니다.

 

위 내용이 이해가 가지 않는다면 아래 그래프를 참고하세요.

QE(Quantum Efficiency)와 Relative response의 차이
QE(Quantum Efficiency)와 Relative response의 차이

위 그림에서 왼쪽은 광자 효율 기준으로 세축이 설정되어 있고 오른쪽은 상대 수치로 표현이 되어 있습니다.

500nm에서 가장 감도가 좋지만 효율은 70%를 믿도는 데요 Relative response 기준으로 보면 100%입니다.

 

따라서 센서의 감도를 비교할 때는 QE를 보고 판단하는 것이 좋습니다.

지금까지 카메라 센서 감도 그래프 보는 방법에 대해 알아봤습니다.



머신비전 카메라 인터페이스별 장점과 단점

머신비전 카메라 인터페이스의 종류

머신비전 카메라 인터페이스의 종류

머신비전 카메라는 여러가지 인터페이스가 있지만 최근에는 4가지 인터페이스만 사용된다.

Camera Link (카메라링크), CoaXPress(코엑스프레스), USB, GIGE(POE)

이 네 가지의 장점과 단점은 명확하다.  아래 표는 인터페이스의 버전별 속도까지 표기를 했는데 어떤 장점과 단점이 있는지 한눈에 알아볼 수 있다.

인터페이스 규격 데이터 전송량 케이블 길이 PD(Power delivery) 프레임그래버
Coaxpress CXP-3 / 1lane 3.125 Gbit/s (325MB/s) 100m 가능 필요
CXP-6 / 1lane 6.25 Gbit/s (625 MB/s) 72m 가능
CXP-12 / 1lane 12.5 Gbit/s (1,250 MB/s) 30m 가능
Camera Link Base 2.04 Gbit/s (255 MB/s) 7m 가능
Midium 4.08 Gbit/s (510 MB/s) 5m 가능
Full 6.8 Gbit/s (850 MB/s) 5m 가능
USB USB 2.0 480Mbit/s (60MB/s) 5m 가능 2대이상
동시 사용시
전용보드
필요
USB 3.0 5 Gbit/s (625MB/s) 3.5m 가능
GIGE GIGE 1 Gbit/s (125MB/s) 100m 가능
5GIGE 5 Gbit/s (625MB/s) 100m 가능
10GIGE 10 Gbit/s (1,250MB/s) 37m 가능

카메라를 선택할 때 위 표에서 주로 봐야 하는 것은 데이터 전송량과 케이블 길이이다.

CCD 센서에서 CMOS 센서로 넘어오면서 카메라는 더욱 빨라지고 고해상도가 되었는데 데이터 전송량을 보면 내가 사용하려고 하는 카메라는 어떤 인터페이스를 사용하면 될지도 가늠이 가능하다.

 

머신비전 인터페이스별 사용 환경




CoaXPress

CoaXPress는 가장 진화된 인터페이스이다.

GIGE의 장점에 Camera Link의 장점, USB의 장점 모두 포함되어 있다.

길이는 가장 길게 사용할 수 있고 전원도 케이블을 통해 공급되어 외부 어댑터를 사용할 필요가 없다.

예전에는 카메라 종류가 적어 단점이였지만 이제는 전혀 그렇지 않다.

 

Camera Link

Camera Link는 CoaXPress가 나오기 전까지는 머신비전 카메라의 대부분은 카메라 링크 인터페이스가 자리 잡고 있었다.

단점이라면 케이블이 두껍고 길이 제한이 있어 10미터가 넘는다면 중간에 리피터를 달아야 사용 가능했다.

 

USB

USB 카메라는 Plug in Play 기능으로 PC에 꼽기만 해도 인식이 되고 전원이 공급된다.

하지만 사용 길이가 짧기 때문에 의료용 설비나 현미경 등에서 주로 사용한다.

 

GIGE

GIGE 인터페이스 역시 속도 빼면 빠지는 것이 없었다.

케이블도 길게 사용 가능하고 전원이 공급되는 POE 카메라로 인해 자유도가 높아졌으며, 이미 보편화된 인터페이스로 여러 대 카메라를 연결하는데 큰 문제가 없다.

전송량이 가장 적은데 최근 5GIGE, 10GIGE가 나와 속도도 따라잡았다. 하지만 5GIGE, 10GIGE의 경우 전용 보드를 사용해야 하고 발열도 심하다.

게다가 미싱 패킷이 자주 발생해 아직 안정화가 필요하다.

 

머신비전 카메라 인터페이스에 대해 알아봤는데 다음에는 인터페이스별로 더 깊게 알아보도록 하겠다.




 

요즘 인기 있는 머신비전 CIS(Contact Image Sensor) 카메라의 특징

CIS 카메라의 구조

최근 자동차 배터리 시장이 커지면서 주식으로 돈 많이 버신 분들 많으시죠?

부럽습니다. 진심입니다.

이 글을 보는 여러분도 돈 많이 버셨으면 좋겠습니다.





본론으로 들어가겠습니다.

배터리 시장이 커지면서 머신비전 시장에는 CIS 카메라가 뜨겁습니다.  SK on, LG Energy Solution, Samsung SDI 뿐만 아니라 중국의 CATL까지 모두 CIS 카메라로 배터리 전극 검사를 합니다.

대체 CIS 카메라가 무엇이기에 이 난리일까?

 

CIS 카메라란 무엇인가?

CIS 카메라는 Contact Image Sensor의 앞자를 딴 약자인데요. 이렇게 이해하면 쉽겠습니다.

집에서 혹은 사무실에서 사용하는 스캐너와 복사기의 구조와 동일합니다.

 

조명과 센서가 일체형이고 물체가 지나가거나 CIS가 지나가면서 이미지를 취득하는 것인데요.

LED와 렌즈, 센서가 일체형으로 구성되어 있습니다.

 

CIS 카메라와 라인 스캔 카메라의 차이

CIS와 라인스캔 카메라의 스캔 방식은 Fly Vision과 같이 비슷하지만 다른 점이 있는데요.

닮은 점은 Roll to Roll 과 같이 흐르는 물체의 이미지를 얻는데 최적화되어 있다는 것입니다.

 

그렇다면 다른 점은 무엇일까?

라인 스캔 카메라와 CIS 카메라의 다른 점

  1. 라인 스캔 카메라는 조명과 렌즈, 카메라를 하나하나 조합해야 하지만 CIS 카메라는 일체형입니다.
  2. 라인 스캔 카메라는 넓은 면적을 볼 때 렌즈에 화각이 있지만 CIS는 텔레센트릭 입니다.
  3. 라인 스캔 카메라는 픽셀 분해능이 가변되지만 CIS 카메라는 고정되어 있습니다.
  4. 라인 스캔 카메라는 렌즈에 따라 WD가 변경되지만 CIS 카메라의 WD는 고정되어 있습니다.
  5. 라인 스캔 카메라의 FOV는 렌즈에 따라 변경되지만 CIS 카메라는 FOV에 맞게  카메라를 제작해야 합니다.

위와 같은 점이 가장 크게 다른점 입니다.

위 내용과 같은 다른점에서 특징에 대해 자세히 이야기해 보겠습니다.

CIS 카메라의 특징

분해능(Resolution)




CIS 카메라는 분해능이 정해져 있는데요.

일반적인 머신비전 카메라와 같이 이야기 하지 않고 스캐너와 같이 이야기합니다.

과거에는 100dpi, 200dpi가 있었지만 지금은 300dpi, 600dpi, 1200dpi가 있습니다.

300dpi는 84um이고, 600dpi는 42um입니다. 그리고 1200dpi는 21um으로 되어 있습니다.

 

이제는 300dpi도 잘 사용하지 않습니다.

 

노출(Exposure)

CIS 카메라는 노출 제어가 되지 않는 것이 특징인데요.

인코더 신호를 받아 라인 레이트 조절은 할 수 있지만 라인 레이트가 낮아진다고 해서 노출을 늘릴 수 없습니다.

센서 세팅에서 소절이 되지만 제품화되면서 설정값이 숨어져 있습니다.

 

Telecentric Image

CIS 카메라 이미지는 텔레센트릭 이미지 입니다.

이 특징이 좋은 점은 넓은 면적을 촬상 할 때 일반적인 라인 스캔 카메라는 렌즈 화각을 넓혀 카메라 렌즈의 왜곡이나 픽셀 분해능에서 불리했습니다.

CIS 카메라는 센서 Array를 늘려나가기 때문에 해상도 변경 없이 물체와 1:1인 텔레센트릭 이미지를 얻을 수 있습니다.

 

Interface

인터페이스는 다행히 잘 따라오고 있습니다.

GigE(POE 아님), Camera Link Base, Camera Link Full, CoaxPress 인터페이스 구성으로 되어 있습니다.

 

CIS 카메라를 사용하기 좋은 설비

CIS를 사용하기 적합한 설비는 Roll to Roll 설비에서 가장 좋은데요.  배터리 설비 중 노칭기나 스태킹, 코터, 모듈 라인에서 사용하고 있습니다.

이 밖에 스테이지 이물검사 시스템이나 디스플레이 패널 이물검사에서도 사용하기 좋습니다.

 

지금까지 CIS(Contact Image Sensor) 카메라에 대해 소개해 드렸습니다.




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