3D 검사로 바꾸면 오히려 놓치는 결함 구간
3D 카메라를 들이고도 미검출이 줄지 않는 라인을 종종 봅니다. 대개는 알고리즘 문제가 아닙니다. 3D 프로파일러의 평면(xy) 분해능이 2D 라인스캔보다 오히려 거칠다는 사실을, 셋업 단계에서 숫자로 확인하지 않은 탓입니다.
이 상태를 방치하면 폭 25~60 μm 구간의 결함군 — PCB 미세 브릿지, 사출품 표면 스크래치 — 이 통째로 빠져나갑니다. 3D 화소에 세 점 이상 얹히지 못하는 크기이기 때문입니다. 이 구간의 유출이 시작되면 후공정 재검사 공수와 필드 반품 비용이 검사기 도입비를 금세 넘어섭니다.
해법은 단순합니다. 3D 채택 여부를 결함 크기가 아니라, 2D에서 확보되는 콘트라스트로 가르는 것입니다.
3D는 2D의 상위 호환이 아닙니다
3D 검사 전환은 지금 가장 빠르게 돈이 몰리는 축입니다. 머신비전 카메라 시장 전망에 따르면 전체 시장은 2025년 67.9억 달러에서 2035년 209억 달러로 CAGR 11.89% 성장하는 반면, 3D 카메라는 CAGR 15.83%로 시장 평균을 크게 앞섭니다. 검사 응용이 전체의 38.6%를 차지한다는 점을 함께 보면, 이 자금의 상당 부분이 검사 라인으로 흘러들어온다는 뜻입니다.
그런데 이 성장률 숫자가 현장에서 위험한 오해를 만듭니다. “3D를 넣으면 2D를 대체한다”는 가정입니다. 물리적으로 그렇지 않습니다. 레이저 삼각측량 프로파일러의 xy 분해능은 통상 15~20 μm/px 수준으로, 같은 대상에 붙는 2D 라인스캔의 8 μm/px보다 두세 배 거칩니다. 높이(z) 방향은 서브픽셀 피크 검출 덕에 1 μm 대로 내려가지만, 평면 방향은 그렇지 않습니다.
즉 3D 도입은 검출 능력을 위로 넓히는 대신, 옆으로는 좁힙니다. 3D는 2D가 못 보는 결함을 잡는 장비이지, 2D가 잡던 결함까지 잡는 장비가 아닙니다. 이 비대칭을 인정하는 순간 설비 구성 논의는 “무엇으로 교체할까”에서 “어느 결함군을 어느 쪽에 배정할까”로 바뀝니다.
① 검출 최소 불량 사이즈 — 3 px 룰이 정하는 하한
먼저 확인할 것은 대상물의 표면 재질과 반사율입니다. PCB 솔더 레지스트처럼 반무광인 면과, 광택 ABS 사출품처럼 정반사가 지배적인 면은 같은 조명에서 전혀 다른 이미지를 냅니다. 재질이 정해져야 조명이 정해지고, 조명이 정해져야 아래 수치가 의미를 가집니다.
안정 검출의 실무 하한은 결함 하나가 최소 3 px에 걸치는 지점입니다. 2D 라인스캔 4,096 px에 픽셀 피치 7 μm, 물체측 분해능 8.33 μm/px를 적용하면 FOV 34.1 mm에 평면 하한 25 μm가 나옵니다. 3D 프로파일러는 xy 20 μm/px 기준으로 평면 하한이 60 μm입니다. 높이 방향은 삼각각 45°, 레이저 라인 서브픽셀 1/20 px 조건에서 δz = (20/20) ÷ sin 45° ≈ 1.41 μm이므로, 안전계수 2배를 적용해 단차 하한 3 μm를 씁니다.
② 광학 셋업과 ③ 알고리즘 파라미터 매칭표
| 결함 유형 | ① 검출 최소 사이즈 | ② 광학 셋업 (조명 / 렌즈·WD) | ③ 알고리즘 파라미터 |
|---|---|---|---|
| PCB 미세 브릿지·단선 | 평면 25 μm | 저각 링(암시야) 8,000 lx / 텔레센트릭 0.84×, 라인스캔 4,096 px, WD 110 mm | 적응 임계 ΔGV ≥ 8, 블롭 최소 3 px, 모폴로지 open 3×3 |
| PCB 실크 인쇄 번짐 | 평면 80 μm | 확산 돔 5,000 lx / 초점거리 23 mm, 5 MP 컬러, WD 200 mm | HSV S채널 임계, 면적 ≥ 9 px, 가우시안 σ 1.2 |
| 사출품 흑점·이물 | 지름 50 μm | 동축낙사 3,000 lx + 돔 혼합 / 초점거리 34 mm, 5 MP 모노, WD 200 mm | 배경 차분 후 ΔGV ≥ 12, 원형도 ≥ 0.6 |
| PCB 솔더 볼륨 부족 | 단차 30 μm (평면 300 μm) | 3D 레이저 삼각측량 θ 45°, 405 nm 라인 / xy 20 μm/px, WD 90 mm | 기준면 평면 피팅 후 잔차 ≥ 30 μm, 체적 적분 판정 |
| 커넥터 핀 코플래너리티 | 단차 40 μm (평면 150 μm) | 3D 레이저 삼각측량 θ 60° / xy 15 μm/px, WD 75 mm | 핀 상위 5% 평균 z 추출, 기준면 편차 ≥ 40 μm |
| 사출품 싱크마크 | 깊이 12 μm (평면 400 μm↑) | 편향측정(deflectometry) 패턴 디스플레이 / 텔레센트릭, WD 150 mm | 기울기맵 2차 미분, 곡률 임계 0.02 °/mm |
표에서 눈여겨볼 값은 결함 사이즈가 아니라 WD입니다. 3D 삼각측량 세 건의 WD가 75~90 mm로 짧습니다. 삼각각을 벌려 높이 분해능을 얻는 구조상 카메라와 레이저가 대상에 가까이 붙어야 하기 때문입니다. 반면 2D는 200 mm까지 여유가 있습니다. 지그·핸들러와의 간섭 여유가 이 차이만큼 좁아지므로, 3D 도입 결정은 광학 사양 이전에 기구 간섭 실측에서 갈리는 경우가 적지 않습니다.
분기 판정 기준은 크기가 아니라 ΔGV입니다
8 bit 이미지에서 센서 노이즈 σ를 1.5 GV로 잡으면 안정 검출의 대비 하한은 3σ = 4.5 GV입니다. 조명을 최적화한 뒤에도 결함의 ΔGV가 이 값의 두 배에 미치지 못한다면, 그 결함군은 2D 알고리즘을 더 손봐서 될 일이 아닙니다. 반대로 ΔGV가 넉넉하게 나오는 결함을 3D로 넘기는 것은 분해능만 버리는 선택입니다.
# 2D/3D 분기 판정기 — 결함 크기가 아니라 콘트라스트로 가른다
XY_2D_MIN, XY_3D_MIN, Z_3D_MIN = 25.0, 60.0, 3.0 # 평면·단차 하한 [um]
DGV_MIN = 4.5 # 8bit 노이즈 sigma=1.5 GV의 3-sigma 대비 하한
def route(xy_um, z_um, dgv):
"""xy: 결함 평면 크기[um], z: 단차[um], dgv: 조명 최적화 후 그레이 대비[GV]"""
if xy_um < XY_2D_MIN:
return "사각지대 — 픽셀 분해능 상향(배율 재설계) 필요"
if dgv >= DGV_MIN * 2: # 2D에서 대비가 충분 -> 3D 불필요
return "2D 유지"
if z_um >= Z_3D_MIN and xy_um >= XY_3D_MIN:
return "3D 이관" # 단차는 있으나 대비가 안 나오는 결함군
return "2D 조명 재설계 후 재판정" # 3D 분해능으로도 담기지 않는 구간이 함수의 마지막 반환값이 실무에서 가장 중요합니다. 평면 25~60 μm이면서 대비가 낮은 결함은 3D로 넘겨도 잡히지 않습니다. 남은 수단은 조명 각도와 파장을 다시 설계해 대비 자체를 만들어내는 것뿐입니다. 소프트웨어 후처리로 광학 셋업의 부족분을 메울 수 있다고 보는 순간, 이 구간은 영구 미검출로 남습니다.
반대로 3D 단독 구성이 유리한 조건
지금까지의 논지와 반대로, 2D를 걷어내고 3D만 남기는 편이 나은 조건도 분명히 있습니다. 첫째, 표면 색상과 재질이 균일해 색·오염 결함이 애초에 발생하지 않고 형상 편차만 관리 대상인 경우입니다. 둘째, 도금 얼룩이나 광택 편차 때문에 2D 임계값이 로트마다 흔들려 오검출이 누적되는 경우입니다. 높이 데이터는 표면 반사율 변동에 상대적으로 둔감하므로 임계값 안정성이 오히려 낫습니다. 셋째, 관리 규격 자체가 치수·체적으로 정의되어 있어 그레이값을 규격으로 환산할 근거가 없는 경우입니다.
다만 정반사가 강하거나 난반사가 심한 재질 — 경면 도금, 헤어라인 가공면, 반투명 사출품 — 에서는 위 판정이 그대로 성립하지 않습니다. 레이저 라인이 표면 아래로 산란해 들어가면서 높이 프로파일 자체가 흔들리기 때문입니다. 이런 재질군은 샘플 테스트 전 확언이 불가합니다. 실제 시료로 라인 프로파일의 피크 폭과 표준편차를 먼저 측정한 뒤에 판정하시기 바랍니다.
현장 체크포인트
- WD 확보 여부 — 3D 삼각측량 헤드는 WD 75~90 mm가 일반적입니다. 지그·핸들러·기존 브래킷과의 실제 간섭 여유를 도면이 아니라 실측으로 확인하십시오. 여유가 없어 WD를 늘리면 삼각각이 줄고 높이 분해능이 함께 무너집니다.
- 2D 대비 실측 — 3D 견적을 받기 전에, 현재 조명에서 문제 결함군의 ΔGV를 100장 이상 측정해 히스토그램으로 확인하십시오. 4.5 GV의 두 배를 넘는다면 3D는 아직 필요하지 않습니다.
- 평면 하한 재계산 — 제안받은 3D 헤드의 xy 분해능(μm/px)에 3을 곱해 평면 하한을 직접 구하고, 현재 관리 중인 최소 결함 규격과 비교하십시오. 이 한 줄 계산이 도입 후 미검출 사고를 대부분 예방합니다.
- 레이저 파장과 재질 조합 — 405 nm는 침투가 얕아 반투명 수지에 유리하고, 660 nm는 산란이 적어 금속면에 유리합니다. 시료 확보 시 두 파장을 함께 시험하십시오.
참고 자료
- SNS Insider, Machine Vision Camera Market Size 2026-2035 (2026-08-17) — 시장 규모 및 3D 카메라 CAGR 자료. 원문 보기
