카메라는 마지막에 달 수 없다 — 기구 설계 단계에서 비전 카메라·조명 설치 공간과 WD를 먼저 확보하는 법

OPTICS / LIGHTING

설비의 기구 설계가 끝난 뒤 비전 스테이션을 “남은 공간”에 넣으려 하면, 대개 카메라는 들어가는데 조명이 들어가지 않습니다. 저각도 링 조명은 부품 가까이 내려와야 하고, 돔 조명은 부품보다 훨씬 큰 직경이 필요하며, 동축 조명 박스는 렌즈 앞의 높이를 차지합니다.

공간이 모자라면 WD를 줄이게 되고, WD가 바뀌면 배율·FOV·분해능이 연쇄적으로 바뀝니다. 렌즈를 바꾸면 조명 위치가 다시 어긋나고, 결국 브래킷·치구·커버를 다시 만들거나 조명 방식을 타협하게 됩니다. 타협한 조명은 콘트라스트를 잃고, 그 손실은 알고리즘으로 완전히 되돌릴 수 없습니다.

해법은 비전 스테이션을 “부품”이 아니라 “공간”으로 먼저 설계하는 것입니다. 시야 원추·조명 원추·피사계 심도 슬래브·정비 여유를 3D CAD에 투명한 가상 바디, 즉 광학 금지 공간(keep-out volume)으로 먼저 모델링하고, 기구 부품이 이 공간을 침범하지 않도록 간섭 검사를 돌립니다. 이 글은 그 공간을 계산하는 식과 모델링 순서를 정리합니다.

비전 스테이션의 첫 도면은 카메라 형상이 아니라 빛이 지나가는 공간이어야 합니다.

1. 광학 금지 공간을 이루는 네 개의 부피

Point. 비전 스테이션이 차지하는 공간은 카메라와 렌즈의 외형이 아니라, 빛이 지나가는 네 개의 부피입니다.

Reason. (1) 시야 원추 — 부품의 FOV에서 렌즈 입사동까지 이어지는 결상 광선의 부피, (2) 조명 원추 — 광원에서 부품까지 입사광이 지나가는 부피, (3) 피사계 심도 슬래브 — 부품 높이 편차를 담는 초점 허용 두께, (4) 정비 여유 — 보호창 청소, 초점 조정 링 조작, 케이블 커넥터와 굴곡 반경을 위한 공간입니다. 이 중 하나라도 기구물에 가려지면 비네팅, 그림자, 초점 이탈로 나타납니다.

Example. 사출 커넥터 하우징을 치구 위에서 검사하는 스테이션이라면, 클램프 레버가 움직이는 동안 조명 원추 안으로 들어오는 순간 그쪽 가장자리에만 그림자가 생겨 과검출이 발생합니다. 정지 상태의 조립도만 보면 간섭이 없어 보이는 것이 함정입니다. 움직이는 부품은 동작 궤적 전체를 금지 공간과 대조해야 합니다.

Point. 네 부피를 CAD의 투명 바디로 만들어 두면, 기구 설계자는 광학 계산 없이도 간섭 검사만으로 비전 성능을 지킬 수 있습니다.

2. 시야 원추의 폭 — 조명 개구가 시야를 가리는지 계산한다

Point. 링 조명이나 동축 박스처럼 렌즈와 부품 사이에 놓이는 조명은, 그 높이에서의 시야 원추 폭보다 개구가 커야 합니다.

Reason. 일반(엔토센트릭) 렌즈에서 FOV 가장자리의 광선은 렌즈 입사동을 향해 모입니다. 부품 위 높이 h에서 가장자리 점의 광선 다발이 차지하는 폭을 FOV 양쪽 끝에 대해 더하면, 비네팅 없이 통과하는 데 필요한 개구 폭은 W(h) = FOV × (1 − h/u) + D × h/u입니다(u: 입사동까지의 물체 거리, D: 입사동 지름). 원형 개구라면 FOV 가로 폭이 아니라 FOV 대각선을 넣어야 네 모서리가 살아납니다. 물체측 텔레센트릭 렌즈는 주광선이 평행해 폭이 높이에 따라 줄지 않으므로, 개구를 FOV보다 크게 잡아야 합니다.

Example. FOV 100 mm × 73.2 mm(4096 × 3000 px 비율), 물체 거리 202 mm, 25 mm·F4 렌즈(입사동 지름 약 25 ÷ 4 = 6.25 mm로 근사)에서 링 조명을 부품 위 30 mm에 둔다고 하겠습니다. FOV 대각선 약 123.95 mm를 넣으면 W = 123.95 × (1 − 30/202) + 6.25 × 30/202 ≈ 106.5 mm입니다. 가로 100 mm만 보고 내경 100 mm 링을 고르면 네 모서리가 가려질 수 있다는 뜻입니다.

Point. 조명 카탈로그의 내경은 FOV 가로 폭이 아니라, FOV 대각선·설치 높이·입사동을 함께 넣은 계산값과 비교합니다. 입사동의 실제 위치와 지름은 렌즈 설계마다 다르므로 최종값은 렌즈 데이터로 확인합니다.

3. 저각도 조명과 설치 높이 — 입사각이 공간을 정한다

Point. 암시야·저각도 조명은 원하는 입사각이 곧 조명의 설치 높이를 정하므로, 기구 설계에서 가장 먼저 자리를 잡아야 합니다.

Reason. 링 광원이 부품 상면에서 높이 h에 있고, 광원의 한 지점과 빛이 닿는 부품 위 지점 사이의 수평 거리가 x이면 입사 앙각은 θ = arctan(h / x)입니다. FOV 중심은 x가 링 반경 r이지만, 같은 광원에서 FOV의 가까운 끝은 x = r − FOV/2, 먼 끝은 x = r + FOV/2가 되므로 앙각은 FOV 안에서 하나의 값이 아니라 범위가 됩니다. 앙각을 낮출수록 광원은 부품 쪽으로 내려와 치구·클램프와 먼저 부딪힙니다.

Example. FOV 20 mm인 커넥터 핀 영역을 반경 40 mm 링으로 비추고 중심 앙각을 15°로 잡으면 h = 40 × tan 15° ≈ 10.7 mm입니다. 이때 FOV 양 끝의 앙각은 가까운 쪽 arctan(10.7/30) ≈ 19.7°, 먼 쪽 arctan(10.7/50) ≈ 12.1°로 약 7.6° 벌어집니다. 링 반경을 키우면 편차는 줄지만, 링은 더 낮고 넓은 고리 공간을 차지합니다.

Point. 저각도 조명은 “부품 상면에서 10 mm 남짓한 높이, 반경 수십 mm의 고리”라는 구체적인 공간을 요구합니다. 이 고리가 치구·클램프의 동작 궤적과 겹치지 않도록 기구 설계 초기에 금지 공간으로 잡아야 합니다.

4. 3D CAD에 광학 금지 공간을 모델링하는 순서

Point. 금지 공간은 기구 설계 초기에 레이아웃(스켈레톤) 모델로 만들고, 모든 기구 부품이 이를 참조하게 합니다.

Reason. 카메라·조명 모델을 나중에 조립하면 간섭을 검사할 수는 있어도 공간을 “예약”할 수는 없습니다. 부피를 먼저 두면 치구·커버·배선 설계가 처음부터 그 공간을 피합니다.

• (1) 부품 상면의 FOV 사각형과 높이 편차로 DOF 슬래브 생성
• (2) FOV 네 꼭짓점에서 입사동 원까지 로프트한 시야 원추
• (3) 광원 위치에서 FOV까지의 조명 원추(저각도는 고리형 쐐기)
• (4) 렌즈 앞 보호창·캡 탈착 여유와 카메라 후방 케이블 굴곡 공간(케이블 사양서의 최소 굴곡 반경 사용)
• (5) 치구·클램프의 동작 궤적을 스윕 바디로 만들어 (1)~(4)와 간섭 검사

Example. 위 2절의 예라면 (2)의 시야 원추는 부품 위 30 mm 높이에서 대각 약 106.5 mm 단면을 지나고, 3절의 저각도 링은 부품 상면 위 약 10.7 mm 높이에 반경 40 mm 고리 부피를 차지합니다. 두 부피를 투명 바디로 올려 두면, 클램프 레버를 설계하는 사람은 “이 투명한 부피에 닿지 않게”라는 한 가지 규칙만 지키면 됩니다.

Point. 이 5단계를 거친 레이아웃이 있으면 렌즈나 조명을 바꿀 때도 부피만 갱신해 영향 범위를 바로 확인할 수 있습니다.

5. 핵심 골격 — 매칭표

구분	항목	사양 / 파라미터	근거·비고
① 최소 불량 사이즈	최소 결함	100 µm	설계 가정. 24.4 µm/px에서 약 4.1 px
② 광학 셋업	렌즈·거리	25 mm, F4, 물체 거리 약 202 mm	입사동 지름 약 6.25 mm(f ÷ N 근사)
② 광학 셋업	WD(작동 거리)	렌즈 앞면~부품 상면, 제조사 데이터로 확정	조명 높이·동축 박스·보호창 두께 포함
② 광학 셋업	링 조명 개구(h = 30 mm)	내경 약 106.5 mm 이상	FOV 대각 123.95 mm × (1 − 30/202) + 6.25 × 30/202
② 광학 셋업	저각도 링(FOV 20 mm 영역)	반경 40 mm, 높이 약 10.7 mm, 앙각 약 12.1~19.7°	θ = arctan(h / x)
② 광학 셋업	DOF 슬래브	약 3.15 mm(c = 2 px)	부품 높이 편차와 치구 안착 오차가 이 안에 들어와야 함
③ 알고리즘	비네팅 감시	정상품 영상 네 모서리 ROI의 평균 휘도를 기준값 대비 감시	금지 공간 침범의 조기 신호, 경보 임계는 실측으로 설정
③ 알고리즘	그림자 영역 처리	침범으로 생긴 그림자를 마스크로 덮지 않음	덮으면 그 영역은 영구히 미검사

표 시사점. 원형 링의 내경을 FOV 가로 100 mm와 비교하면 충분해 보이지만, 대각선과 설치 높이를 넣으면 약 106.5 mm가 필요합니다. 반대로 저각도 조명은 약 10.7 mm 높이의 좁은 띠를 요구하고, 그 띠 안에서도 앙각이 약 7.6° 벌어집니다. 즉 조명 공간은 카탈로그 치수가 아니라 FOV·높이·입사동을 넣은 계산으로만 확정됩니다.

6. 반대 접근이 유리한 조건

• 작은 부품과 표준 조명 하나로 끝나는 단순 검사: 금지 공간 모델링보다 조명 공급사의 표준 브래킷과 거리표로 충분할 수 있습니다.
• 동축·텔레센트릭 일체형 모듈: 광학 공간이 모듈 외형 안에 닫혀 있으므로 외형과 WD만 관리하면 됩니다.
• 레이아웃이 고정된 개조 설비: 계산으로 공간을 만들 수 없다면 미러로 광로를 꺾어 공간을 확보하는 방식을 검토합니다. 다만 미러의 반사율과 오염 관리가 새 변수로 추가됩니다.

조명 위치를 확정해도 표면 반사 특성에 따른 콘트라스트는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

현장 노트

기구 설계가 끝난 설비에 비전 스테이션을 추가하면서, 카메라 브래킷은 여유 있게 들어갔는데 저각도 링을 넣을 높이가 치구 클램프와 겹쳐 결국 조명 방식을 바꾼 적이 있습니다. 바꾼 방식은 콘트라스트가 한 단계 낮아, 임계 여유를 되찾는 데 오래 걸렸습니다. 이후로는 기구 설계 착수 회의에서 FOV 사각형과 조명 원추를 투명 바디로 먼저 올려 두고, 모든 부품이 그 공간을 참조하도록 요청합니다. 투명 바디 몇 개를 먼저 그리는 수고가 시운전 단계의 재설계보다 훨씬 작다는 것을 그때 배웠습니다.

현장 체크포인트

• WD가 도면에 확보되었는가 — 렌즈 앞면~부품 상면 WD가 조명 높이, 동축 박스, 보호창 두께를 모두 포함한 상태로 확보되었는지 확인할 것.
• 조명 개구가 FOV 대각선·설치 높이·입사동으로 계산한 폭보다 큰가.
• 저각도 조명의 높이 띠가 치구·클램프의 동작 궤적(스윕 바디)과 겹치지 않는가.
• DOF 슬래브가 부품 높이 편차와 치구 안착 오차를 담는가.
• 보호창 탈착, 초점 링 조작, 케이블 굴곡 반경을 위한 정비 여유가 있는가.
• 경면·난반사 표면이라면 조명 위치를 확정한 뒤에도 샘플 테스트 전 확언 불가.

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