높이가 제각각인 부품, 초점 하나로 다 잡을 수 있을까 — 리퀴드 렌즈 EDOF와 인터페이스 대역폭의 역할 분담

[이미지 플레이스홀더 #1 — 히어로 이미지]
구도: 다크 배경 위 멀티핀 커넥터 하우징 클로즈업. 핀 여러 개가 서로 다른 높이로 배열되어 있고, 앞쪽 핀은 골드 톤으로 선명하게, 뒤쪽 핀은 블루 톤 아웃포커스로 흐릿하게 표현되다가 우측 절반에서는 전체 핀이 동시에 선명해지는 대비 구도. 중앙에 얇은 골드 라인으로 초점 평면 이동 궤적을 표시. Canvas 벡터 일러스트 톤.

도입 — 한 프레임 안에서 전부 선명해야 하는 이유

멀티핀 커넥터 하우징을 검사하다 보면, 화면 안에 놓인 핀들의 삽입 깊이가 로트마다, 심지어 같은 부품 안에서도 0.3~0.5mm씩 편차를 보이는 경우를 자주 마주하게 됩니다. 고정 초점 렌즈 하나로 전체 화각을 담으면 앞쪽 핀 선단은 선명하지만 뒤쪽 핀 선단은 흐릿해지고, 흐릿해진 영역에서는 미세 크랙이나 버(burr) 같은 결함 경계 자체가 사라져 미검출로 이어집니다. 이 상태를 방치한 채 라인을 가동하면, 후공정이나 최종 조립 단계에서 접촉 불량이라는 형태로 불량이 유출되고, 그 비용은 초기 검사 단계에서 잡는 것보다 훨씬 커집니다. 반대로 심도 부족을 피하겠다고 조리개를 과도하게 조이면 회절로 인해 전체 콘트라스트가 낮아져, 이번에는 오검출이 늘어나는 딜레마에 빠집니다.

해법은 광학 하드웨어와 알고리즘, 그리고 그 사이를 잇는 전송 인터페이스까지 세 층위를 함께 설계하는 데 있습니다. 리퀴드 렌즈로 초점 평면을 밀리초 단위로 이동시키며 다초점 프레임을 확보하고, 딥러닝 기반 디블러·융합 알고리즘으로 하나의 확장 피사계심도(EDOF) 영상을 만들며, 늘어난 프레임 수를 지연 없이 전송할 인터페이스를 함께 갖추는 구조입니다.

본문 — 초점, 융합, 전송을 잇는 세 개의 층위

대상물의 표면 재질과 반사율을 먼저 규정합니다. 멀티핀 커넥터의 핀은 대부분 주석 도금 또는 금 도금 처리되어 정반사가 매우 강한 금속 표면입니다. 이런 표면에서는 초점이 맞더라도 하이라이트 포화 영역과 결함 경계가 겹치면 판정이 흔들릴 수 있어, EDOF 셋업을 설계하기 전에 도금 로트별 반사율 편차를 먼저 실측해야 합니다. 광택 편차가 큰 로트에서는 동일한 EDOF 파라미터가 전 로트에 그대로 적용될지 샘플 테스트 전에는 확언하기 어렵습니다.

Point: 초점 평면 이동은 기계식 구동부가 아니라 전기습윤 방식의 리퀴드 렌즈로 처리하는 편이 검사 속도와 내구성 측면에서 유리합니다. Reason: 리퀴드 렌즈는 두 액체 사이의 계면을 전압으로 변형시켜 굴절력을 바꾸는 방식이라 기계적 마모가 없고, 초점 전환이 밀리초 단위로 끝나 검사 택트타임에 미치는 영향이 작습니다. Example: 실제로 최근 발표된 리퀴드 렌즈+Deblur-UNet 결합 EDOF 기법은 다초점 프레임을 순차 캡처한 뒤 딥러닝으로 디블러와 융합을 동시에 수행해, 별도의 기계식 스캐닝 스테이지 없이도 하나의 전 영역 선명 영상을 만들어냅니다. Point: 결국 렌즈 구동 방식을 바꾸는 것만으로 심도 문제의 절반은 하드웨어 층위에서 해결됩니다.

Point: 그러나 리퀴드 렌즈 EDOF는 프레임 융합 알고리즘의 품질에 결과가 크게 좌우되므로, 광학 셋업만으로 결함 검출률을 담보할 수는 없습니다. Reason: 다초점 프레임을 단순 평균하거나 선명도만 기준으로 픽셀을 취사선택하면 초점 전환 경계에서 아티팩트가 발생해, 결함이 아닌 부분이 결함처럼 보이는 경계 잔상이 남을 수 있습니다. Example: Deblur-UNet 계열 융합 모델은 프레임별 선명도 맵을 학습 기반으로 가중 결합해 경계 아티팩트를 억제하는 방향으로 설계되고 있고, 이 접근은 20μm급 미세 크랙 검출에서도 경계 왜곡 없이 결함 형상을 보존하는 데 유리합니다. Point: 즉 리퀴드 렌즈 EDOF는 광학과 알고리즘이 한 세트로 묶여야 완성되는 기법입니다.

Point: 다초점 프레임 수가 늘어나면 카메라와 프레임그래버 사이의 전송 대역폭이 새로운 병목이 됩니다. Reason: EDOF 한 장을 만들기 위해 프레임을 여러 장 순차 캡처해야 하는데, 기존 Camera Link(최대 약 2.8Gbps)로는 고해상도 센서에서 이 프레임 수를 택트타임 안에 전송하기 어렵습니다. Example: CoaXPress는 현재 채널당 최대 12.5Gbps(CXP-12)를 지원하고, 개발 중인 CoaXPress v3.0은 링크당 25Gbps까지 상향과 광케이블 규격 통합을 목표로 하고 있어, 다초점 EDOF나 Teledyne e2v Perciva 5D처럼 2D·3D 데이터를 동시에 뽑아내는 카메라의 대역폭 요구를 뒷받침할 수 있습니다. Point: 초점 문제를 해결했다면, 그 다음은 늘어난 데이터를 실시간으로 흘려보낼 인터페이스를 함께 점검해야 합니다.

언제는 리퀴드 렌즈 EDOF보다 고정초점 텔레센트릭 렌즈가 유리한가

모든 높이 편차 문제에 리퀴드 렌즈 EDOF가 정답인 것은 아닙니다. 삽입 깊이 편차가 렌즈 심도 범위 안에 이미 들어오는 저심도 요구 라인이라면, 굳이 다초점 캡처와 융합 연산을 추가하지 않고 고정초점 텔레센트릭 렌즈로 조리개를 적절히 조여 심도를 확보하는 편이 처리 지연과 시스템 복잡도 면에서 더 유리할 수 있습니다. 특히 택트타임이 매우 짧아 프레임당 처리 여유가 거의 없는 고속 라인에서는 다초점 융합의 연산 부담이 오히려 병목이 될 수 있습니다. 다만 이 판단은 부품별 높이 편차 범위와 요구 심도, 로트별 반사율 편차에 따라 달라지므로, 어느 쪽이 더 유리한지는 샘플 테스트 전에는 확언할 수 없습니다.

핵심 골격 매칭표

항목	내용
① 검출 최소 불량 사이즈	20 μm (핀 선단 미세 크랙·버 기준)
② 광학 셋업	조명: 동축낙사 + 확산 돔 병행, 조도 약 3,000 lx / 렌즈: 전기습윤 리퀴드 렌즈 모듈(가변 초점) + 보조 고정초점 렌즈, 초점거리 25mm / WD 90mm 확보(핀 높이 편차 0.5mm 범위 포함)
③ 알고리즘 파라미터	다초점 캡처 5~7 프레임, Deblur-UNet 기반 선명도 가중 융합, 융합 윈도우 3×3px, CoaXPress CXP-12(채널당 12.5Gbps) 이상 전송 대역폭

시사점: 이 표가 보여주는 핵심은 세 항목이 독립적으로 존재하지 않는다는 점입니다. 최소 불량 사이즈가 작아질수록 요구 해상도와 다초점 프레임 수가 늘고, 그만큼 전송 대역폭 요구도 함께 올라갑니다. WD를 미리 확정하지 않은 채 렌즈와 인터페이스를 먼저 선정하면, 나중에 심도 범위가 부족해 전체 셋업을 다시 설계해야 하는 상황이 발생하기 쉽습니다.

현장 체크포인트

• WD(작동 거리)가 부품의 최대 높이 편차(핀 삽입 깊이 편차 포함)를 충분히 포함하는지 사전에 실측했는가.
• 도금 로트별 반사율 편차를 측정해, EDOF 파라미터를 고정값이 아닌 로트 대응형으로 설계했는가.
• 다초점 프레임 수 증가에 따른 전송 대역폭이 현재 인터페이스(Camera Link/GigE/CoaXPress)의 한계 안에 들어오는지 택트타임 기준으로 계산했는가.
• 융합 알고리즘의 초점 전환 경계 아티팩트가 실제 결함과 혼동되지 않는지 샘플 세트로 사전 검증했는가.

본 게시물은 Noctvision 자동 리서치·초안 파이프라인으로 작성되었습니다. 수치와 셋업 파라미터는 일반적인 참조값이며, 실제 적용 시 반드시 대상물 샘플 테스트를 거쳐야 합니다.