라인레이트만 보고 고른 라인스캔 카메라, 왜 결함을 놓치는가 — TDI와 분해능 설계의 관계
도입 — 라인레이트를 두 배로 올렸는데 결함이 더 안 보이는 이유
PCB 패널 어레이가 컨베이어를 타고 연속으로 흘러가는 검사 라인에서는, 카메라 스펙 시트의 라인레이트(kHz)만 보고 장비를 선정하는 경우가 적지 않습니다. 그런데 라인레이트를 높여 검사 속도를 끌어올린 직후, 오히려 미세 솔더 브릿지나 패드 결손 같은 작은 결함이 이전보다 더 자주 빠져나가는 역설적인 상황을 마주하게 됩니다. 원인은 대개 라인레이트 자체가 아니라, 그 라인레이트에서 센서가 실제로 확보하는 신호량과 렌즈가 그 신호를 얼마나 대비 손실 없이 전달하느냐에 있습니다. 노출 시간이 짧아질수록 라인당 광량은 줄어들고, 노이즈에 묻힌 저대비 결함 경계는 알고리즘이 아무리 정교해도 애초에 존재하지 않는 정보를 복원할 수 없습니다. 이 상태를 방치하면 초기 검사 단계에서 걸러야 할 결함이 후공정과 최종 조립까지 유출되어, 검사 속도를 높여 얻은 생산성 이득을 훨씬 웃도는 재작업 비용으로 되돌아옵니다.
해법은 라인레이트라는 속도 지표 하나가 아니라, TDI(Time Delay Integration) 신호 누적 방식과 렌즈-센서 MTF(변조전달함수) 매칭, 그리고 검출 대상 결함 크기에 맞춘 픽셀 해상력을 하나의 설계값으로 묶어 산정하는 데 있습니다.
본문 — 속도, 신호, 대비가 만나는 지점
P (Point): 라인스캔 카메라의 분해능은 픽셀 수가 아니라 “결함 크기당 픽셀 수”로 정의해야 합니다.
R (Reason): PCB 패드나 솔더마스크 표면은 무광 그린 레진과 반광택 구리 패드가 혼재해 반사율 편차가 큰 대상물입니다. 이런 표면에서 폭 30~50μm 수준의 미세 브릿지나 패드 결손을 검출하려면, 결함 경계 하나에 최소 3~5px가 걸쳐야 알고리즘이 경계를 노이즈와 구분할 수 있습니다. 라인레이트를 올려 픽셀 피치를 그대로 둔 채 이송 속도만 높이면, 크로스웹 방향 해상력은 유지되더라도 다운웹 방향(이송 방향) 해상력이 이송 속도에 반비례해 저하되어, 같은 카메라로도 결함이 사라지는 방향성 문제가 발생합니다.
E (Example): Teledyne DALSA의 Linea HS2 8K TDI 카메라는 1MHz 라인레이트에서도 5μm 해상 픽셀을 유지한다고 공개했는데, 이는 TDI 구조가 여러 라인의 신호를 전하 영역에서 누적해 노출 시간이 짧아진 만큼 줄어드는 광량을 신호 누적으로 보상하기 때문입니다. 반면 Allied Vision의 allPIXA pro 6000px처럼 3라인 CCD 방식의 컬러 라인스캔 카메라는 34kHz급 라인레이트에서 6000px, 10μm 픽셀피치로 400~1000nm(가시광~근적외선) 대역까지 커버해, 속도보다 분광 정보와 색 대비 확보에 무게를 둔 설계임을 보여줍니다. 두 제품 모두 “라인레이트가 높다”는 한 줄로 요약하면 실제 결함 검출 성능 차이를 놓치게 됩니다.
P (Point, 재확인): 따라서 카메라 선정 시 확인해야 할 것은 최대 라인레이트 숫자가 아니라, 목표 이송 속도에서 실제로 확보되는 다운웹 방향 픽셀 밀도와, 그 조건에서 렌즈가 유지하는 MTF입니다.
렌즈 쪽에서도 같은 원리가 적용됩니다. 8K 라인스캔 센서의 대각선 길이에 맞춰 이미지 서클이 여유 있게 설계되지 않은 렌즈를 사용하면, 센서 가장자리로 갈수록 콘트라스트가 급격히 떨어져 패널 폭 전체에서 균일한 검출 성능을 기대하기 어렵습니다. 머신비전 실무에서는 통상 20% 콘트라스트가 유지되는 공간주파수(lp/mm)를 렌즈의 유효 분해능으로 정의하는데, 센서 해상력이 아무리 높아도 렌즈 MTF가 이 기준에 못 미치면 소프트웨어 후처리로는 잃어버린 대비를 되살릴 수 없습니다. 이는 하드웨어 광학 셋업의 결함을 소프트웨어 이미지 처리만으로 완전히 덮을 수는 없다는 원칙이 라인스캔 시스템에서도 그대로 적용된다는 뜻입니다.
핵심 골격 표준
PCB 패널 어레이 연속 검사 라인을 기준으로 한 설계값입니다. 실제 결함 형태·재질별 편차가 있어 최종 파라미터는 반드시 샘플 테스트를 거쳐야 합니다.
| 항목 | 상세 내용 |
|---|---|
| ① 최소 검출 불량 사이즈 | 솔더 브릿지 폭 30μm, 패드 결손 40μm (결함 경계 3~5px 확보 기준) |
| ② 광학 셋업 | TDI 라인스캔 카메라(8K, 5μm 픽셀), 렌즈 이미지 서클 φ62mm 이상, 작동거리(WD) 120mm 확보, 조명은 저각 동축 라인 조명 병행(솔더 하이라이트 포화 방지) |
| ③ 알고리즘 파라미터 | 다운웹 방향 오버샘플링 계수 1.5배 이상 적용, MTF 20% 콘트라스트 기준 공간주파수 60lp/mm 이상 렌즈 채택, 결함 경계 검출용 서브픽셀 엣지 알고리즘 병행 |
시사점: 세 항목 모두 독립적으로 정해지지 않고 서로를 제약합니다. 결함 크기가 정해지면 필요 픽셀 밀도가 정해지고, 픽셀 밀도가 정해지면 그 밀도에서 요구되는 렌즈 MTF 기준이 정해지는 순서로 설계해야, 라인레이트만 높이고 실질 검출력은 오히려 떨어지는 상황을 피할 수 있습니다.
비교 시 유의점 — TDI 라인스캔이 항상 유리한 것은 아닙니다
TDI 방식은 저조도·고속 조건에서 신호 누적으로 민감도를 확보한다는 장점이 있지만, 대상물의 이송 속도가 일정하지 않거나 진동이 있는 라인에서는 라인 간 정합 오차가 누적되어 오히려 상이 흐려지는 방향성 아티팩트가 발생할 수 있습니다. 이런 환경에서는 단순 라인스캔이나 영역(Area) 스캔 방식이 더 안정적일 수 있으며, 어느 쪽이 유리한지는 대상물의 반사율·이송 안정성·요구 결함 크기에 따라 달라져 샘플 테스트 전 확언은 불가합니다.
현장 체크포인트
- 렌즈와 카메라 사이 작동거리(WD)가 목표 화각·심도 조건에서 실제로 확보되는지, 기구 간섭 없이 현장 배치가 가능한지 확인했는가.
- 목표 이송 속도에서 다운웹 방향 픽셀 밀도가 최소 검출 결함 크기 대비 3~5px 기준을 충족하는지 계산했는가.
- 렌즈의 MTF 20% 콘트라스트 공간주파수가 센서 나이퀴스트 주파수를 충분히 상회하는지 사양서로 확인했는가.
- TDI 방식 채택 시 이송 라인의 속도 변동·진동 수준을 사전에 측정해 라인 정합 오차 가능성을 배제했는가.
참고자료
- LUCID to Showcase New 8K Line Scan, NIR, STARVIS, and 3D RGB-D Cameras at VISION 2026
- New 8k TDI camera supports 1 MHz line rate
- Allied Vision Launches allPIXA pro 6000px
- TDI line scan cameras: Precise results with fast movements and low light
- Optimizing System Resolution: Matching Lens and Sensor MTF
- 8K high resolution line scan lenses
